Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

Закон Кулона не объясняет механизм передачи электромагнитного взаимодействия: близкодействие (непосредственный контакт) или дальнодействие? Если заряды действуют друг на друга на расстоянии, то скорость передачи взаимодействия должна быть бесконечно большой, взаимодействие должно распространяться мгновенно. На опыте скорость конечна (скорость света с=3.108м/с).

Для объяснения вводится понятие электрического поля (впервые — М. Фарадей) — особый вид материи, существующий вокруг любого электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды.

Напряженность  —  силовая характеристика электрического поля.

Пусть заряд  q0 создает поле, в произвольную точку которого мы помещаем положительный заряд  q.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. Во сколько бы раз мы не изменяли заряд q  в этой точке, сила взаимодействия изменится во столько же раз (з-н Кулона).

Следовательно:  — величина постоянная  в  данной  точке  данного  поля.

 Напряженность — векторная физическая величина, численно равная отношению

силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку данного поля, к величине этого заряда.

Напряженность не зависит от величины заряда, помещенного в поле.

, если q>0. , если q<0. Т.е. вектор напряженности направлен от положительного заряда и к отрицательному.

   Напряженность в данной точке поля равна 1, если на заряд в 1 Кл, помещенный в эту точку, действует сила в 1 Н. (Напряженность равна 1  , если между точками электростатического поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга, существует разность потенциалов 1 В).Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Принцип суперпозиции полей:   напряженность поля, созданного системой зарядов равна геометрической сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом. Т.е. напряженности складываются геометрически:

(Это опытный факт.)

Пример:

Графическое представление электростатического поля.

Силовые линии (линии напряженности) —  непрерывные (воображаемые) линии вектор напряженности касателен к каждой точке которых. Способ описания с помощью силовых линий введен Фарадеем.

Свойства:

  1. Начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.
  2. Не пересекаются.
  3. Густота линий тем больше, чем больше напряженность. Т.е. напряженность поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через единицу площади поверхности.
  4. Можно договориться изображать поля так, что количество проведенных линий пропорционально величине заряда.

Напряженность электрического поля: формула, единица измерения

Полем с электричеством называют особый вид материи. Он существует вокруг заряда либо вокруг заряженных частиц. Напряжённость – главная силовая характеристика для этого явления. Единица измерения – В/м. Но есть и другие особенности, присущие такому параметру. Формула напряжённости – отдельный вопрос.

Определение

Напряженность относят к величинам физического характера. Как уже говорилось, это силовой параметр. Равен обычно соотношению между силой, действующей на заряженное тело, и значением.

Измерение напряжённости

Важно. Показатель напряжённости относят и к векторным величинам.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. Определяют, с каким значением действует сила на заряженные предметы. При необходимости упрощает определение направления. Главная единица измерения – ньютон на кулон.

Определение напряжённости упрощает организацию измерения показателя. Если заранее знать значение энергии того или иного тела – проще измерить характеристику, воздействующую на него. Как найти напряжённость – объяснено дальше.

Формула силы электрического поля

В большинстве случаев учёные применяют стандартную формулу:

E = F/q.

Своё значение вектора, который обозначается как E, существует в каждой отдельной временной точке. В форме записи этот показатель тоже имеет свою фиксацию:

E = E (x, y, z, t).

Интересно. Таким образом, это функция пространственных координат. Допустимо изменение характеристики по мере течения времени. За счёт этого происходит образование электромагнитного поля, учитывающего и вектор магнитной индукции. Его регулируют законы термодинамики, то же касается напряжённости электрического поля, формула через заряды тоже давно известна.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Замеры напряжённости

Воздействие поля на заряды

При воздействии полей предполагается, что в полную силу входят магнитные и электрические составляющие. Она выражается в так называемой формуле по силе Лоренца:

F = qE + qv x B

Своим значением наделён каждый элемент в этом определении напряжённости электрического поля, формула без них не будет точной:

  1. Q – обозначение заряда.
  2. V – скорость.
  3. B – вектор относительно магнитной индукции. Это основная характеристика, присущая магнитному пространству. Без неё измерять нельзя.

Косой крест применяют для обозначения векторного произведения. Единицы измерения для формулы – СИ. Заряды тоже становятся частью общей системы.

Специальный прибор

Новые значения – более общие по сравнению с формулой, чьё описание приведено ранее. Причина – в том, что частица под воздействием сил.

Обратите внимание. Предполагается, что частица в этом случае – точечная. Но благодаря этой формуле просто определить воздействие на тела вне зависимости от текущей формы.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. При этом распределение зарядов и токов внутри не имеет значения. Главное – уметь рассчитывать E и B, чтобы применять формулу правильно. Тогда проще проводить и определение напряжённости поля, формулы с другими цифрами.

Измерение

Напряжённость относят к векторным величинам, оказывающим силовое воздействие на заряженные частицы.

Существуют не только теоретические, но и практические способы для измерения напряжённости.

  • Если речь о произвольных – сначала берут тело, содержащее заряд. Это правило распространяется на любые электронные устройства.

Размеры тела должны быть меньше размеров другого тела, генерирующего заряд. Достаточно небольшого металлического шарика, у которого есть свой заряд. Заряд шарика измеряют электрометром, потом приспособление помещают внутрь. Динамометр уравновешивает силу, воздействующую на предмет. После этого можно снять показания с единицей измерения – Ньютонами.

В бытовых условиях

Значение напряжённости получают, разделив значение силы на величину заряда.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. 9.

  • Отдельного изучения заслуживает ситуация с конденсаторами.

В данном случае первый этап – измерение напряжения между пластинами. Предполагается использование вольтметра. Потом определяются с расстоянием между этими пластинами. Единица измерения – метры. Получают результат, который и будет напряжённостью. Направлять её можно по-разному.

Единицы измерения

Ньютоны на кулон, либо вольты на метр – единицы измерения, которые применяют для данного параметра в общепринятых системах.

Соленоиды

Постоянный электрический ток

Электрический ток – направленное движение свободных носителей энергии в веществе или внутри вакуума. Этот показатель появляется при соблюдении главных условий:

  • Есть источник энергии.
  • Замкнутость пути, который используется для перемещения.

I – буква, которую применяют для обозначения силы тока.

Пример задачи с напряжённостью

Важно. Единица измерения – Амперы. Величина тока зависит от количества электричества или разрядов, которые проходят через поперечное сечение у проводника в единицу времени.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Когда речь о постоянном токе – предполагается, что с течением времени не меняются его направление, основная величина.

Вектор

Амперметр – устройство, применяемое для измерения силы тока. Его подключение к цепи – последовательное. Показатель важен, поскольку от него зависят и сила воздействия и другие подобные параметры. На практике часто встречаются ситуации, когда сила тока заменяется плотностью. В данном случае единица измерения – Ампер на метр квадратный. Площадь сечения проводов выражается в мм2. И плотность тока предполагает опору на эту характеристику.

Электрическое поле можно назвать реально существующим явлением, как и любые предметы. Поле и вещества относят к основным формам существования материи. Способность действовать с силой на заряды – главное свойство. Его используют, чтобы обнаруживать, измерять явления. Ещё одна характеристика – распространение со скоростью света. Это тоже важно для тех, кто занимается изучением подобных факторов.

Электромагнитное поле — Tööelu.ee


Главная
/ Работнику
/ Рабочая среда
/ Факторы опасности рабочей
/ Физические факторы опасности

Viimati uuendatud: 05.08.2016

Электромагнитные поля характеризуются следующими свойствами:

  • они невидимы;
  • у человека нет органа для их восприятия;
  • они появляются там, где встречается электричество;
  • они распространяются со скоростью света;
  • это явление как электрическое, так и магнитное.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, но являются при этом двумя аспектами одного и того же явления. Где бы ни двигалось электричество, возникают оба поля – как электрическое, так и магнитное. Следует различать эти поля в рабочей среде, поскольку механизмы их воздействия различны, и для каждого из этих полей установлены различные предельные нормы.

Рисунок. Электрическое и магнитное поля в электромагнитном поле взаимно перпендикулярны (для увеличения изображения нажмите на него)

Таблица. Различия и сходства между электрическим и магнитным полями

Электрическое полеМагнитное поле

Единица измерения – вольт на метр (В/м)

Единица измерения – Тесла (T)

Относительно легко экранировать

Проникает практически через всё, трудно экранировать

Распространяется в помещении при посредстве магнитного поля

Распространяется в помещении при помощи электрического поля

Напряжённость поля уменьшается при удалении от источника

Напряжённость поля уменьшается при удалении от источника

Образуется, если оборудование оказывается под напряжением (оборудование не обязательно должно находиться в рабочем режиме)

Возникает при потреблении тока (при включении оборудования)

Особенности распространения

Особенности распространения

красное – электрическое поле

красное – электрическое поле

синее – магнитное поле

В отличие от статического электрического или магнитного поля, большинство возникающих в рабочей среде электромагнитных полей меняется в
о времени (совершают несколько колебаний в секунду).Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

В общем случае, меняющиеся во времени электромагнитные поля классифицируются на три зоны:

  1. низкочастотные,
  2. среднечастотные и
  3. высокочастотные.

Изменение во времени измеряется в единицах частоты Герцах (Гц), 1 Гц = 1 колебание в секунду. В отношении излучающего электромагнитное поле оборудования важно знать частоту образующего им поля, поскольку для разных частот действуют различные предельные нормы (некоторые частоты воздействуют на человека более эффективно, чем другие).

статическое

низкочастотное

среднечастотное

высокочастотное

0 Гц

0 — 300 Гц

300 Гц — 100 кГц

100 кГц — 300 ГГц

Электрохимические процессы (электролиз), оборудование МРТ (магнитно-резонансной томографии), электрический транспорт, сварочная дуга

Питание от электросети:  системы с электродвигателями, транспорт, сварка, производство энергии и распределение энергии (подстанции), плавильные печи

Диэлектрические нагреватели, импульсные блоки питания, мониторы и экраны, индукционные печи и индукционные нагреватели, сварочные агрегаты, электрохирургическое оборудование

Радио- и телестанции, устройства мобильной связи (в т.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. ч. радиопередатчики), радары, индукционные печи, оборудование для сушки клея, микроволновые нагреватели, диатермия


Visits
18660, this month
18660

Принципиальные методы измерения напряженности

Способом измерить напряженность электрического поля является принципиальный способ измерения векторов E→ и D→, основанный на граничных условиях для данных векторов при переходе поля через границу двух диэлектриков.

Обычный метод измерения напряженности

Стоит заметить, что за обычный принимают метод измерения напряженности поля по силе, воздействующей на пробный заряд, который помещен в поле. Но такой способ возможно применять и для поля в вакууме, при этом метод не всегда подходит для поля в веществе. Так как равенство:

верно для вакуума, в веществе оно является приближенным. Сам процесс внесения пробного заряда в диэлектрик может оказаться невозможен, например, когда используемый диэлектрик — твердый.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Определение 1

Единственный способ измерения E→ и D→, получивший название принципиального, заключается в том, чтобы создать внутри вещества полость и в нее внести пробный заряд.

Отметим при этом, что поле, измеренное подобным образом, не совпадет ни с вектором напряженности, ни с вектором индукции электрического поля. Итоговый результат будет зависеть от формы полости, в связи с чем в целях применения принципиального метода используют специальные формы полостей, в которых результат измерений E→ и D→ будет максимально близок к реальности.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Измерение векторов поля при помощи полостей

Возьмем для рассмотрения полость, имеющую форму длинного и тонкого цилиндрического канала. Этот канал является параллельным полю E→ (рисунок 1). При этом будем считать, что в канале содержится вещество, количество которого бесконечно мало. Удалив вещество из диэлектрика, мы получим небольшое изменение электрического поля в среде.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. На концах канала появятся поляризационные заряды, влиянием которых на поле на достаточном удалении от концов полости можно пренебречь. На основе симметрии можно сказать, что поле в канале E0→ параллельно внешнему полю E→. Из граничного условия следует, что:

В конечном счете мы приходим к тому, что измерение поля в диэлектрике есть измерение поля E0→

Рисунок 1

Рассмотрим другую форму плоскости: пусть это будет бесконечно короткий цилиндр, у которого основания являются перпендикулярными вектору индукции электрического поля D→ (рисунок 2).

Рисунок 2

Удалив в этом случае из диэлектрика вещество, мы не получим существенного влияния на электрическое поле в диэлектрике в целом. На границах полости появятся поляризационные заряды, имеющие противоположные знаки. За пределами полости будет происходить почти полная компенсация полей зарядов друг другом. В пределах полости поля зарядов будут усиливать друг друга, что повлечет за собой значимое изменение поля внутри полости.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. В пределах полости
E0→ перпендикулярно к ее основаниям (в силу симметрии). Так как полость содержит воздух или вакуум:

Применим граничное условие и можем сделать следующий вывод:

Замечание 1

Измерение электрического смещения сводится к измерению напряженности поля в полости.

Пример 1

Пусть задан шар, имеющий равномерную заряженность (объемная плотность ρ). Пусть в заданном шаре создана небольшая сферическая полость с центром O’. Центр созданной полости расположен на расстоянии b от центра заданного диэлектрического шара О. Необходимо определить напряженность поля в центре полости.

Решение

Рисунок 3

Чтобы найти поле в полости, применим теорему Остроградского — Гаусса совместно с принципом суперпозиции. Определять поле будем в точке O’, для чего создадим гипотетическую сферу, имеющую радиус b и центр в точке О. Запишем выражение для нахождения потока вектора электрического смещения сквозь поверхность данной сферы:

ΦD=∮SDdS=q, где q=43πb3ρ, S=4πb2.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. Для поля шара присуща сферическая симметрия, тогда из выражения ΦD=∮SDdS=q запишем:

DS=D4πb2=43πb3ρ→D=bρ3.

Поляризационные заряды в полости создадут поле D’→; согласно принципу суперпозиции итоговое поле в точке O’ определяется как:

DO’→=D→+D’→.

Полость не имеет свободных зарядов, тогда, согласно теореме Остроградского-Гаусса:

D’→=0.

Граничные условия определяют тот факт, что нормальная составляющая вектора электрического смещения при переходе через границу раздела диэлектриков неизменна. Таким образом:

D1n=D2n.

Резюмируя все наши рассуждения, сделаем запись выражения для поля внутри полости:

DO’→=D=bρ3.

Напряженность поля в полости определится как:

E→=b→ρ3ε0.

Ответ: поле в полости DO’→=bρ3, E→=b→ρ3, где b→ является вектором, соединяющим точки O и O’.

Пример 2

Задана бесконечно длинная цилиндрическая полость, расположенная в бесконечно длинном цилиндре, который равномерно заряжен по объему (ρ – плотность заряда) и имеет радиус R.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. Оси цилиндра и полости параллельны и удалены на некоторое расстояние друг от друга. Необходимо определить напряженность электрического поля на оси полости.

Решение

Рисунок 4

Чтобы определить поле в полости, применим теорему Остроградского – Гаусса совместно с принципом суперпозиции. Чтобы найти поле цилиндра на прямой, где должна находиться ось полости, создадим гипотетическую цилиндрическую поверхность радиуса a с осью, совпадающей с осью основного цилиндра. Запишем выражение для потока вектора электрического смещения сквозь поверхность заданного цилиндра:

ΦE=∮SDdS=q, где q=πa2hρ, S=2πah  (h является высотой цилиндра).

Для поля шара присуща цилиндрическая симметрия, тогда из выражения ΦD=∮SDdS=q запишем:

DS=D2πah=πa2hρ→D=aρ2.

Поляризационные заряды в полости создадут поле D’→; согласно принципу суперпозиции итоговое поле на оси полости определяется как:

DO’→=D→+D’→.

Полость не имеет свободных зарядов, тогда, согласно теореме Остроградского-Гаусса:

D’→=0.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля.

Граничные условия определяют тот факт, что нормальная составляющая вектора электрического смещения при переходе через границу раздела диэлектриков неизменна. Таким образом:

D1n=D2n.

Резюмируя все наши рассуждения, сделаем запись выражения для поля внутри полости:

DO’=aρ2.

Напряженность поля в полости определится как:

E→=a→ρ2ε0.

Ответ: E→=a→ρ2ε0.

Формула напряженности электрического поля в физике

Содержание:

Определение и формула напряженности электрического поля

Определение

Вектор напряженности $\bar{E}$ – это силовая характеристика электрического поля. В некоторой точке поля, напряженность равна
силе, с которой поле действует на единичный положительный заряд, размещенный в указанной точке, при этом направление силы и напряженности
совпадают. Математическое определение напряженности записывается так:

$$\bar{E}=\frac{\bar{F}}{q}$$

где $\bar{F}$ – сила, с которой электрическое поле действует на
неподвижный, «пробный», точечный заряд q, который размещают в рассматриваемой точке поля.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. {n} \bar{E}_{i}(2)$$

Допустим, что поле создается системой точечных зарядов и их распределение непрерывно, тогда результирующая напряженность находится как:

$$\bar{E}=\int d \bar{E}(3)$$

интегрирование в выражении (3) проводят по всей области распределения заряда.

Напряженность поля в диэлектрике

Напряженность поля $\bar{E}$ в диэлектрике равна векторной сумме
напряженностей полей, создаваемых свободными зарядами $\bar{E}_0$ и
связанными (поляризационными зарядами) $\bar{E}_p$:

$$\bar{E}=\bar{E}_{0}+\bar{E}_{p}(4)$$

В том случае, если вещество, которое окружает свободные заряды однородный и изотропный диэлектрик, то напряженность
$\bar{E}$ равна:

$$\bar{E}=\frac{\bar{E}_{0}}{\varepsilon}(5)$$

где $\varepsilon$ – относительная диэлектрическая проницаемость вещества в исследуемой точке
поля. Выражение (5) обозначает то, что при заданном распределении зарядов напряженность электростатического поля в однородном изотропном
диэлектрике меньше, чем в вакууме в $\varepsilon$ раз.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. {-12}$ Ф/м (система СИ) — электрическая постоянная.

Связь напряженности и потенциала

В общем случае напряженность электрического поля связана с потенциалом как:

$$\bar{E}=-\operatorname{grad} \varphi-\frac{\partial \bar{A}}{\partial t}(7)$$

где $\varphi$ – скалярный потенциал,
$\bar{a}$ – векторный потенциал.

Для стационарных полей выражение (7) трансформируется в формулу:

$$\bar{E}=-\operatorname{grad} \varphi(8)$$

Единицы измерения напряженности электрического поля

Основной единицей измерения напряженности электрического поля в системе СИ является: [E]=В/м(Н/Кл)

Примеры решения задач

Пример

Задание. Каков модуль вектора напряженности электрического поля
$\bar{E}$ в точке, которая определена радиус- вектором
$\bar{r}_{2}=7 \bar{i}+3 \bar{j}$ (в метрах), если электрическое поле создает положительный точечный
заряд (q=1Кл), который лежит в плоскости XOY и его положение задает радиус вектор
$\bar{r}_{1}=\bar{i}-5 \bar{j}$, (в метрах)?

Решение.Электрическое поле в чем измеряется: Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Графическое представление электростатического поля. {\prime}-\bar{r}\right) d V$

Читать дальше: Формула пути.

Конвертер напряжённости электрического поля • Электротехника • Полный калькулятор • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Конвертер длины и расстоянияКонвертер массыКонвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питанияКонвертер площадиКонвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептахКонвертер температурыКонвертер давления, механического напряжения, модуля ЮнгаКонвертер энергии и работыКонвертер мощностиКонвертер силыКонвертер времениКонвертер линейной скоростиПлоский уголКонвертер тепловой эффективности и топливной экономичностиКонвертер чисел в различных системах счисления.Конвертер единиц измерения количества информацииКурсы валютРазмеры женской одежды и обувиРазмеры мужской одежды и обувиКонвертер угловой скорости и частоты вращенияКонвертер ускоренияКонвертер углового ускоренияКонвертер плотностиКонвертер удельного объемаКонвертер момента инерцииКонвертер момента силыКонвертер вращающего моментаКонвертер удельной теплоты сгорания (по массе)Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему)Конвертер разности температурКонвертер коэффициента теплового расширенияКонвертер термического сопротивленияКонвертер удельной теплопроводностиКонвертер удельной теплоёмкостиКонвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излученияКонвертер плотности теплового потокаКонвертер коэффициента теплоотдачиКонвертер объёмного расходаКонвертер массового расходаКонвертер молярного расходаКонвертер плотности потока массыКонвертер молярной концентрацииКонвертер массовой концентрации в раствореКонвертер динамической (абсолютной) вязкостиКонвертер кинематической вязкостиКонвертер поверхностного натяженияКонвертер паропроницаемостиКонвертер плотности потока водяного параКонвертер уровня звукаКонвертер чувствительности микрофоновКонвертер уровня звукового давления (SPL)Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давленияКонвертер яркостиКонвертер силы светаКонвертер освещённостиКонвертер разрешения в компьютерной графикеКонвертер частоты и длины волныОптическая сила в диоптриях и фокусное расстояниеОптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×)Конвертер электрического зарядаКонвертер линейной плотности зарядаКонвертер поверхностной плотности зарядаКонвертер объемной плотности зарядаКонвертер электрического токаКонвертер линейной плотности токаКонвертер поверхностной плотности токаКонвертер напряжённости электрического поляКонвертер электростатического потенциала и напряженияКонвертер электрического сопротивленияКонвертер удельного электрического сопротивленияКонвертер электрической проводимостиКонвертер удельной электрической проводимостиЭлектрическая емкостьКонвертер индуктивностиКонвертер реактивной мощностиКонвертер Американского калибра проводовУровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицахКонвертер магнитодвижущей силыКонвертер напряженности магнитного поляКонвертер магнитного потокаКонвертер магнитной индукцииРадиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излученияРадиоактивность. Конвертер радиоактивного распадаРадиация. Конвертер экспозиционной дозыРадиация. Конвертер поглощённой дозыКонвертер десятичных приставокПередача данныхКонвертер единиц типографики и обработки изображенийКонвертер единиц измерения объема лесоматериаловВычисление молярной массыПериодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Общие сведения

Мы живём в океане магнитных и электрических полей. Подобно поведению океана в штиль эти поля могут быть более и менее стабильными, превращаясь в шторм в настоящие бури.

Нам с детства известно свойство магнитной стрелки компаса указывать на север под действием постоянного геомагнитного поля Земли. В своё время изобретение компаса сыграло огромную роль в истории человечества, особенно с развитием мореплавания.

В отличие от магнитного поля, электрическое поле Земли почти ничем не проявляет себя в обыденной жизни, и без специальных приборов мы выявить его, как правило, не можем. Хотя иногда мы наблюдаем проявление электрического поля, расчёсывая вымытые и высушенные волосы пластмассовой расчёской или проводя той же расчёской над кусочками целлофана или бумаги, которые, преодолевая земное притяжение, подпрыгивают со стола, прилипая к расчёске.

Но стоит прийти электрической буре, как мы чувствуем её приближение без всяких приборов. Мы видим сполохи далёких зарниц приближающейся грозы, и слышим далекие раскаты грома. Появляются помехи при приёме радио и телевизионных сигналов; разряды молний могут вывести из строя радио- и электронную аппаратуру, линии связи и электропередач.

Нью-Йорк

Примером может служить авария электроснабжения в Нью-Йорке в 1977 году, когда, после серии попаданий молний в различные ЛЭП, без электроснабжения остался почти весь восьмимиллионный город. Геомагнитные бури космических масштабов также могут привести к авариям электроснабжения городов и стран (Квебекская авария в 1989 году), или вызвать перебои в телеграфной связи на целых континентах (Событие Каррингтона в 1859 году). В то же время, возмущения магнитного поля на поверхности Земли во время геомагнитной бури составляют в среднем менее 1% от величины стационарного значения.

По современным представлениям, отдельные изменяющиеся во времени электрические и магнитные поля образуют единые электромагнитные поля, изменяющиеся с меньшей или большей частотой. Их спектр чрезвычайно широк — от инфранизких частот в доли герца до квантов гамма-излучения с частотой в эксагерцы.

Любопытный, но малоизвестный факт: в узком радиодиапазоне спектра, на котором ведётся телевизионное вещание и работают спутники связи, мощность излучаемого Землёй сигнала превосходит мощность излучения Солнца! Некоторые радиоастрономы предлагают вести поиск внеземных цивилизаций, сравнимых с нашей цивилизацией, по этому признаку. Правда, другие учёные считают его просто признаком нашей технологической отсталости и неумением разумно распорядиться энергетическими ресурсами.

Важнейшей характеристикой электрического (равно как и магнитного) поля является его напряжённость. Превышение этого параметра выше определённого значения для данной среды (для воздуха это 30 кВ/см) приводит к электрическому пробою — искровому разряду. В наших зажигалках мощность разряда настолько мала, что его энергии хватает только на нагрев газа до температуры возгорания.

Ионосфера и разряды молний

Мощность отдельной молнии при средних значениях напряжения в 20 млн. вольт и тока в 20 тысяч ампер может составлять 200 млн киловатт (учитывая, что при разряде молнии напряжение падает с максимального значения до нуля). А за одну мощную грозу выделяется столько же энергии, сколько потребляет всё население США за 20 минут.

Учитывая то обстоятельство, что на Земле ежесекундно гремят более 2000 гроз одновременно, освоение энергии атмосферного электричества представляется чрезвычайно заманчивым. Существуют множество проектов по перехвату молний специальными громоотводами или инициализации разряда молнии; в этом плане мы уже имеем технологии, позволяющие вызвать разряд запуском малых ракет или воздушных змеев, связанных проводниками с поверхностью Земли. Более перспективными представляются разработки на основе ионизации атмосферы лучами мощных лазеров или микроволнового излучения и создании таким образом проводящих каналов для разряда молний, что позволяет устранить необходимость материальных затрат, связанных с испарением проводников после удара молнии.

По сути дела нам не требуется генерации собственно электричества — остаётся только организовать его приём, хранение и преобразование в более удобную для практических целей форму — но пока эта задача возлагается на будущие технологии и устройства. Возможным решением проблем могут стать новые материалы вроде графена, и супермагниты на сверхпроводниках, либо создание ионисторов с невероятно высокой плотностью запасаемой энергии.

Физика полярного сияния та же, что свечение газоразрядных ламп в электромагнитном поле (см. иллюстрации ниже) — возбуждение атомов газов с последующим переходом в обычное состояние, при котором и происходит выделение энергии в форме свечения.

А может быть осуществится мечта гения от электричества — американца сербского происхождения Николы Теслы; и мы сумеем преобразовать энергию гроз в единое энергетическое поле, которое позволит получать электроэнергию в требуемом количестве в любом месте Земли и даже в её атмосфере. Ведь удалось же Тесле во время проведения экспериментов по получению искусственных молний в июне 1889 года в своей лаборатории, расположенной в Колорадо-Спрингс, добиться такой передачи электрической мощности без проводов, что лошади в округе валились с ног, получив электрический удар через металлические подковы! Бабочки летали в ореоле огоньков святого Эльма, меж ног пешеходов проскакивали искры, такие же искры сыпались из водопроводных кранов. Может быть, из-за таких вот опытов многие современники считали Теслу просто опасным безумцем.

Но, говорят же, что если опережаете человечество на один шаг — вы точно гений! Но если на два шага — вы безумец!

Историческая справка

Слева направо: Джеймс Клерк Максвелл, Шарль Кулон, Майкл Фарадей; источник: commons.wikimedia.org

Понятие напряжённости электрического поля непосредственно связано с понятием электрических зарядов и создаваемых этими зарядами электрических полей.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью перманганата калия; на фильтровальную бумагу, пропитанную слабым раствором хлористого натрия, поставлены два электрода, на которые подано постоянное напряжение 30 В

Открытый французским учёным Шарлем Кулоном в 1785 году закон взаимодействия электрических зарядов только дал в руки физиков инструмент для расчёта взаимодействия как такового. Этот закон был поразительно похож на закон всемирного тяготения Ньютона, открытый ранее, хотя и имел существенное отличие: он допускал наличие зарядов разных знаков, а масса в законе всемирного тяготения имеет только один знак, т.е. материальные тела могли только притягиваться.

Подобно Ньютону, который не раскрыл причин гравитационного взаимодействия, Кулон также не смог пояснить причин взаимодействия электрических зарядов.

Лучшие умы того времени предлагали различные теории происхождение этих сил, в их число входили теории близкодействия и дальнодействия. Первая предполагала наличие некоторого промежуточного агента — мирового эфира с совершенно экзотическими свойствами. Например, ему приписывалась огромная упругость с ничтожной плотностью и вязкостью. Это было связано с преобладающими на тот момент развития науки механистическими представлениями о среде передачи сил как о некоторой жидкости. Противоречивые результаты опытов по изучения свойств эфира окончательно были похоронены уже в 20-ом веке в результате экспериментов американского физика Альберта Майкельсона и специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью моторного масла и манной крупы; манная крупа и масло являются диэлектриками; под действием напряжения 30 кВ крупинки постепенно выстраиваются вдоль силовых линий, направленных от центра к кольцевому электроду

Прорыв в этом направлении совершили выдающиеся английские физики Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл в конце 19-го века. М. Фарадею удалось воедино связать магнитные и электрические поля посредством введения концепции физического поля и даже визуализировать его с помощью «электрических силовых линий». В современной физике для изображения векторных полей используют силовые линии векторного поля.

Подобно тому, как мы можем визуализировать силовые линии магнитного поля, размещая в поле магнита мелкие железные опилки, Фарадей визуализировал распространение электрического поля, размещая кристаллики диэлектрика хинина в вязкой жидкости — касторовом масле. При этом вблизи заряженных тел кристаллики выстраивались в цепочки причудливой формы в зависимости от распределения зарядов.

Но главная заслуга Фарадея состоит в том, что он ввёл в научный обиход понятие, что электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое и магнитное (если он движется) поле, а проявление эффектов электромагнетизма суть простое изменение количества силовых линий, охватываемых каким-то контуром.

Визуализация силовых линий электрического поля с помощью моторного масла и манной крупы для двух линейных электродов при напряжении 30 кВ

Под количеством силовых линий он подразумевал напряжённость электрического или магнитного поля.

Великий соотечественник Фарадея Дж. К. Максвелл сумел придать его идеям количественную математическую форму, столь необходимую в физике. Его система уравнений стала основой для изучения как теоретической, так и практической сторон электродинамики. Работа Максвелла поставила крест на концепции дальнодействия: полученный им фундаментальный результат предсказывал конечную скорость распространения электромагнитных взаимодействий в вакууме.

Позднее этот постулат о конечности скорости распространения света, как электромагнитного взаимодействия, был положен гениальным физиком 20-го века Альбертом Эйнштейном в качестве основополагающего постулата его специальной (СТО) и общей (ОТО) теориях относительности.

В современной физике в понятия дальнодействия и близкодействия вкладывается несколько иной смысл: силы, убывающие с расстоянием по законам обратной степени (r-n), считаются дальнодействующими; к ним относятся гравитационное и кулоновское взаимодействия, убывающие пропорционально обратному квадрату расстояния и действующие между объектами в обычном мире.

В атомном мире действуют иные силы, быстро убывающие с расстоянием: к ним относят сильное и слабое взаимодействия. Эти силы действуют между объектами микромира.

Напряжённость электрического поля. Определение

Напряжённость электрического поля — это векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению величины силы, действующей на неподвижный точечный электрический заряд, помещённый в эту точку, к величине заряда. Она обозначается латинской буквой E (произносится как вектор Е) и рассчитывается исходя из формулы:

E = F/q

где E — вектор напряженности электрического поля, F — вектор силы, действующий на точечный заряд, q — заряд объекта.

В каждой точке пространства существует своё значение вектора напряженности, поскольку поле может изменяться с течением времени, поэтому в качестве аргументов функции, описывающей данное векторное поле напряжённости, входят не только пространственные координаты, но и время.

E = f (x, y, z, t)

Напряжённость электрического поля в Международной системе единиц СИ измеряется в вольтах на метр (В/м) или ньютонах на кулон (Н/Кл).

Помимо основной единицы напряжённости электрического поля используется дольная единица (В/см), в электротехнике применяются кратные единицы (кВ/м или кВ/см).

В странах, где не используются метрические единицы длин, напряжённость электрического поля измеряется в вольтах на дюйм (В/дюйм).

Напряжённость электрического поля. Физика явлений

Как уже было показано выше, расчёты векторных электрических полей (напряжённости поля) физических объектов ведутся с использованием уравнений электростатики Максвелла и теоремы Гаусса-Остроградского, как составной части общих уравнений Максвелла.

При этом необходимо учитывать особенности поведения электрических полей в различных средах, поскольку их проявления резко отличаются в зависимости от конкретного состояния вещества по отношению к электрической проводимости.

Особенности проявления электрического поля в диэлектриках

Конденсаторный электретный микрофон для iPhone

При подаче электрического поля высокой напряжённости на образец из твёрдого диэлектрика, в последнем, как правило, происходит переориентация хаотически расположенных полярных молекул в направлении электрического поля. Это явление называется поляризацией. Даже при снятии электрического поля, эта ориентация сохраняется. Для её устранения требуется приложить поле обратной направленности.

Это явление носит название диэлектрического гистерезиса. Возвращению в исходное состояние диэлектрика могут способствовать и иные методы физического воздействия на образец, чаще всего применяют простой нагрев, при этом тоже происходит фазовый переход диэлектрика в исходное состояние.

Такие материалы получили название сегнетоэлектриков или ферроэлектриков. Среди них особым классом можно выделить вещества, которые имеют очень широкую петлю диэлектрического гистерезиса и способные долгое время находиться в поляризованном состоянии — они называются электретами, по сути дела, играют роль постоянных магнитов в электрическом исполнении, создавая постоянное электрическое поле.

Явление гистерезиса в сегнетоэлектриках

Следует отметить, что название «ферроэлектрики» никак не связано с железом; оно появилось в связи с тем, что явление сегнетоэлектричества аналогично явлению ферромагнетизма. В английском языке явление сегнетоэлектричества так и называется: ferroelectricity.

Под действием переменного электрического поля молекулы диэлектрика ведут себя несколько по-иному, постоянно меняя пространственную ориентацию присущих им зарядов каждый полупериод приложенного поля. Понимание этих процессов заложил британский учёный Дж. К. Максвелл, который ввёл в обиход науки об электричестве понятие токов смещения.

Суть явления состоит в том, что под действием переменного тока связанные заряды — электроны и ядра — в молекулах диэлектрика колеблются относительно центра молекулы, реагируя на приложенное переменное электрическое поле.

Особенности проявления электрического поля на поверхности металлов

Совершенно иным является взаимодействие электрического поля с металлами. Из-за наличия в них свободных зарядов (электронов) по отношению к любому электрическому или электромагнитному полю, они ведут себя подобно оптическому зеркалу в отношении света.

Направленные параболические антенны спутниковой связи

На этом принципе построены многие направленные антенны для приёма радиосигналов — вне зависимости от конкретной конструкции антенны, в них обязательно присутствует один элемент — отражатель (или дефлектор), который позволяет значительно увеличить принимаемый радиосигнал и тем самым улучшить качество приёма. Он может выглядеть совершенно по-разному, вплоть до полного аналога обычному зеркалу в виде параболических отражателей антенн для приёма спутниковых сигналов. По сути дела дефлектор является просто концентратором напряжённости электромагнитного поля.

Поскольку металлы отражают электрические и электромагнитные поля, на этом же принципе построена клетка электростатической защиты — так называемая клетка или щит Фарадея — металлы полностью изолируют пространство в них от действия электрического, да и электромагнитного поля. Об этом прекрасно знал гений электричества Никола Тесла, и поражал непросвещённую публику появлением в такой клетке в ореоле электрических разрядов, создаваемых его резонансным трансформатором. Теперь мы называем его трансформатором (или катушкой) Тесла.

Катушка Тесла и беличье колесо для человека в Канадском музее науки и техники. Чтобы возникла искра, посетитель музея должен выработать примерно 100 Вт энергии.

В 1997 году физик из Калифорнии Остин Ричардс создал гибкий костюм электростатической защиты, который защищал его от разрядов катушки Тесла, и с 1998 года он выступает по всему миру под псевдонимом Доктор МегаВольт в шоу «Полыхающий человек ».

Между прочим, современные помещения для скрытых переговоров выполнены на том же принципе клетки Фарадея; правда, изобретателям из закрытых научно-исследовательских институтов КГБ СССР удалось при постройке здания посольства США в своё время обойти американских инженеров: подслушивающие устройства встраивались в виде изолированных конструкций в несущие стены здания. Предполагалось, что под действием внешнего облучения они будут генерировать ответный промодулированный сигнал, и выдавать секреты переговоров американских дипломатов.

Практические примеры приборов и установок, использующих электрическое поле

Помещение с электронным микроскопом должно иметь хорошую звукоизоляцию, поэтому оно похоже на студию звукозаписи — только окошка не хватает

Существует множество примеров как использования электрического поля, так и борьбы с ним.

Сканирующий туннельный микроскоп

Одним из принципов работы сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) является создание такой напряженности электрического поля между исследуемым образцом и острой иглой-зондом, чтобы она превышала работу выхода электронов из образца. Это достигается приложением небольшой разности потенциала между образцом и зондом, и их сближением на расстояние менее одного нанометра. Затем, перемещая зонд над поверхностью, за счёт измерения протекающего туннельного тока можно получить профили образца и построить изображение его поверхности.

Сотни высотных зондов ежедневно запускаются с помощью наполненных водородом шаров метеостанциями по всему миру; такие зонды, как этот, находящийся в Канадском музее науки и техники, запускались в середине прошлого века

Учитывая чувствительность прибора к механическим вибрациям, к помещениям, в которых размещаются СТМ, предъявляются особые требования: в частности, поверхности стен, потолки и полы помещений оснащаются акустической защитой, поглощающей звуковые колебания.

Измерительные приборы и приборы оповещения

Согласно требованиям охраны труда, помещения классифицируются по уровню напряжённости электрического поля. В зависимости от этого уровня время пребывания технического персонала в таких помещениях строго регламентируется. Замеры напряжённости производится специальными приборами.

Метеоцентры разных стран контролируют электрическое поле Земли, измеряя его напряжённость как на поверхности, так и в различных слоях атмосферы с помощью высотных зондов.

Электромонтёры установок и линий высокого напряжения для сигнализации об опасном сближении с токоведущими частями, находящимися под напряжением, используют приборы оповещения, измеряющие напряжённость электрического поля.

Электростатическая и электромагнитная защита

Ёще сам Фарадей, при проведении химических опытов, для исключения влияния сторонних электрических полей на результаты экспериментов, применял изобретённое им в 1836 году устройство электростатической защиты, известное ныне как клетка Фарадея. Оно может быть выполнено в виде сплошной проводящей оболочки с отверстиями или в виде сетки из проводящих материалов.

Микроволновая печь, по сути, представляет собой клетку Фарадея, только в ней экранируется внутреннее излучение, а не внешнее; на нижнем снимке видно, что размер ячейки сетки примерно 3 мм, что значительно меньше длины волны электромагнитного излучения в печи, равной 12 см

Это же устройство может с успехом применяться для экранировки электромагнитных излучений с длиной волны, существенно превышающей размеры ячеек сетки или отверстий.

В современной технике клетками Фарадея оснащаются физические лаборатории и установки, лаборатории аналитической химии и измерительной техники, помещения для ведения секретных переговоров и даже помещения для заседания конклава кардиналов, на котором проводились последние выборы Папы римского.

Поскольку физические методы исследований широко применяются в современной медицине, помещения диагностических центров также оснащаются клетками Фарадея — примером могут служить кабинеты, в которых проводится магниторезонансная томография.

Даже в привычной всем бытовой микроволновой печи камера разогрева конструктивно выполнена в виде клетки Фарадея, а оптически прозрачное окошко в ней, сделанное по специальной технологии, не прозрачно для микроволнового излучения.

Экраны соединительных проводов и коаксиальных кабелей, широко применяющиеся в радиотехнике, компьютерной технике и технике связи для защиты от внешнего электромагнитного излучения и излучения внутреннего сигнала во внешнюю среду, тоже являются своеобразными клетками Фарадея.

Опыты по воздействию электрического поля на металлы и газы

Никуда не подключенные тонкие люминесцентные лампы от плоского дисплея можно зажечь с помощью плазменной лампы

Зажигание неоновой лампы с помощью плазменной лампы

Учитывая, что непосредственное точное измерение напряжённости электрического поля требует специальных приборов, ограничимся иллюстрацией его свойств.

Плазменная лампа

В качестве индикатора напряжённости электрического поля будем использовать неоновую, люминесцентную или любую другую газоразрядную лампу, заполненную каким-либо инертным газом при низком давлении. Генератором поля будет служить плазменная лампа Тесла, создающая переменное электрическое поле значительной напряжённости с частотой около 25 кГц.

Если коснуться поверхности плазменной лампы пальцами, происходит концентрация плазменных шнуров

Если поднести индикаторную лампу (даже неисправную, но с целым баллоном) к изолирующей сфере плазменной лампы, она начнёт светиться, регистрируя наличие поля.

Очевидно, что электромагнитное поле проникает сквозь стеклянные оболочки обеих ламп, поле возбуждает электроны верхних оболочек атомов газа, последние при возврате в исходное состояние генерируют свет.

Если поднести к поверхности лампы руку, то можно наблюдать утолщение плазменного шнура, поскольку мы создаём в точке соприкосновения повышенную напряжённость электрического поля.

Оценка напряжённости электрического поля с помощью осциллографа

Подключим к входу осциллографа зонд, изготовленный из куска проволоки длиной около 15 см, и поднесём его к лампе Тесла. На экране осциллографа наблюдаем индуцированные колебания с той же частотой 25 кГц и размахом 25 вольт. На электрод лампы подается переменное высокое напряжение, генерирующее в пространстве переменное электрическое поле. Увеличивая расстояние между лампой и проводом, будем наблюдать уменьшение размаха сигнала (рис. 1–3). По уменьшению амплитуды сигнала на осциллографе можно сделать вывод, что напряжённость поля убывает с расстоянием.

Экранировка электромагнитного поля

Подключим к входу осциллографа экранированный измерительный кабель (рис. 4). При этом размах сигнала, регистрируемый осциллографом, упадёт почти до нуля. Экран кабеля выполняет роль клетки Фарадея, защищая сигнальный провод от электромагнитных наводок, создаваемых плазменной лампой.

Автор статьи: Сергей Акишкин

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

5.4. Электрическое поле и его характеристики

5.4. Электрическое поле и его характеристики

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем.

Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).

Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:

Е = F/ q.

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.

Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.

Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.

Разность потенциалов (ϕ 1 – ϕ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:

U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q.

В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:

E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля.

В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Измерение электрического поля в пламени, модифицированном электрическим полем

Abstract

Приложение электрического поля к пламени изменяет характеристики пламени из-за коллективного движения заряженных частиц, генерируемых внутри пламени. Приложенное поле мобилизует электроны и ионы в зависимости от их полярности, приводя к локализованным областям пространственного заряда с достаточной плотностью для локального усиления или экранирования приложенного электрического поля. Фундаментальное понимание локального электрического поля необходимо как для электрического, так и для плазменного горения, поскольку оно определяет электрическую телесную силу, а также температуру электронов.В этой работе мы предлагаем метод, который не зависит от состава газа и температуры, для измерения локального электрического поля с использованием индуцированной электрическим полем генерации второй гармоники (E-FISH). Мы успешно применили этот метод к ламинарному пламени противотока без предварительного смешения путем приложения модулированного электрического поля постоянного тока (DC) с импульсом нулевого напряжения микросекундной длительности. Электрический потенциал и распределение пространственного заряда также выводятся из измеренного электрического поля. Кроме того, мы показываем важность присоединения электронов к O 2 , образуя O 2 , путем изменения полярности приложенного постоянного электрического поля.Когда анод находится в потоке кислорода, область отрицательного заряда получается рядом с анодом, тогда как, когда анод находится в потоке топлива, области отрицательного заряда не обнаруживается. Мы также обнаружили, что качественные тенденции измеренных электрических полей разумно согласуются с ранее опубликованными результатами одномерного моделирования. Ограничения методологии рассматриваются, и мы показываем, что возможность модулировать напряжение постоянного тока в субмикросекундных временных масштабах требуется для точных количественных измерений.

Ключевые слова

Электрическое поле

E-FISH

Космический заряд

Электронная насадка

Непредмешанное пламя

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2020 The Combustion Institute. Опубликовано Elsevier Inc. Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Измерение и расчет ЭДС

Измерение электрических и магнитных полей

Это довольно технический отчет о принципах измерения — для более простой версии см. Предыдущий переключатель.

Первые коммерческие приборы, разработанные специально для измерения полей промышленной частоты, стали доступны в 1980-х годах. В настоящее время доступно множество инструментов, которые различаются по различным характеристикам:

(a) Количество осей обнаружения. Нет датчиков, которые непосредственно оценивают результирующее поле в случайном направлении в пространстве; датчики обычно измеряют поле в одном направлении. Счетчик может иметь один датчик. Если он выровнен пользователем с направлением максимального поля, он будет давать показание максимального поля в одном направлении; общее результирующее поле может быть между 1.0 и 1,41 раза от этого значения в зависимости от степени поляризации. Если измеритель имеет три ортогональных датчика, результирующее поле может быть получено из трех значений, измеренных путем сложения корня из суммы квадратов: Результат = (X 2 + Y 2 + Z 2 ) 1 / 2 .

Это результирующее значение не зависит от ориентации измерителя, что значительно упрощает его использование.
Подробнее об эллиптически поляризованных полях

(б) Мера поля. Возможны различные размеры синусоиды, например.грамм. пиковое, выпрямленное среднее, среднеквадратичное (среднеквадратичное). Для одной частоты, то есть чистой синусоидальной волны, их можно масштабировать, чтобы получить тот же результат, но при наличии гармоник они могут значительно отличаться. В отсутствие известного биофизического механизма нет убедительных оснований для утверждения, что какая-то одна мера верна. Однако, по аналогии с другими областями науки об измерениях, существует предположение, что среднеквадратичное значение является предпочтительной мерой. Некоторые измерители фиксируют фактическую форму волны для будущего анализа.

(c) Амплитудно-частотная характеристика. Инструменты могут быть чувствительны к одной частоте, например. 50 Гц или 60 Гц или диапазон частот. Если чувствителен к диапазону частот, отклик может быть плоским или может быть пропорционален частоте. Плоская частотная характеристика между 20 или 30 Гц и несколькими килогерцами обычно считается подходящей для многих измерений общего назначения.

(d) Размер датчиков. Датчики могут быть небольшими — несколько миллиметров — и, следовательно, способны исследовать изменения поля на небольших расстояниях.Однако также могут быть случаи, когда желательно использовать более крупные датчики, которые измеряют среднее поле по своей площади. Вот два разных способа изготовления прибора для измерения магнитного поля:

Датчик слева имеет три катушки, центрированные друг относительно друга. Они имеют воздушную сердцевину и для получения необходимой чувствительности имеют тысячи витков проволоки. Эти примеры имеют размер 10 см кв.

Датчик справа имеет катушки гораздо меньшего размера, чтобы сделать общий счетчик меньшего размера.Для получения чувствительности, несмотря на меньшие размеры, катушки имеют стальные сердечники. Это означает, что они не могут быть сосредоточены на одной и той же точке; они расположены отдельно, под прямым углом друг к другу (две плоские на плате внизу слева, третья, вертикальная, катушка снабжена белой механической опорой внизу справа).

(e) Считывание и регистрация. Счетчики могут иметь аналоговые или цифровые дисплеи. Они могут отображать значение только в реальном времени, или они могут иметь возможность регистрировать значения с различной степенью сложности и вычислять различные параметры поля, такие как средние или максимальные значения.

Учитывая различия в возможностях, предоставляемых счетчиком, неизбежны различия в размере, весе и потреблении батареи. Некоторые счетчики больше всего подходят для детальных обследований специалистами; другие маленькие и достаточно легкие, чтобы их могли носить добровольцы в течение длительного времени.

Не существует «правильного» или «лучшего» измерителя. Выбор лучшего измерителя зависит от цели, для которой он будет использоваться.

Измерение магнитных полей

Для измерения магнитных полей широко используются три различных датчика:

(a) Поисковые катушки.Простейшие измерители измеряют напряжение, наведенное в катушке с проводом. Для синусоидального изменяющегося магнитного поля B с частотой f индуцированное в катушке напряжение V определяется выражением:

V = -2 π f B 0 A cos (ω t)

, где ω = 2 π f — частота поля, A — площадь петли, а B 0 — составляющая B, перпендикулярная петле.

Напряжение, индуцированное данным полем, увеличивается с добавлением большего количества витков провода или ферромагнитного сердечника — см. Примеры выше.Чтобы предотвратить помехи от электрических полей, датчик магнитного поля должен быть экранирован. Если измеритель используется для обследований или измерений индивидуального облучения, частоты ниже примерно 30 Гц должны быть отфильтрованы, чтобы удалить напряжения, наведенные в зонде движением измерителя в магнитном поле земли.

(б) Феррозондовые магнитометры. Они обнаруживают магнитное поле по асимметрии, которую оно создает в ферромагнитном материале, сознательно приводимом в магнитное насыщение поочередно в противоположных направлениях с высокой частотой.

(в) Устройства на эффекте Холла. Датчик предназначен для измерения поперечного напряжения Холла на тонкой полоске полупроводникового материала, по которой проходит продольный ток.

В большинстве практических приборов для измерения частот мощности используются поисковые катушки, одна или три ортогональных катушки. Сами катушки могут быть сделаны как можно меньше с ферромагнитным сердечником для увеличения чувствительности для использования в индивидуальных экспонометрах, где размер и вес являются важными критериями; или они могут быть больше, часто 0.1 м в поперечнике, чтобы повысить чувствительность и обеспечить некоторое пространственное усреднение. Феррозондовые магнитометры нельзя сделать такими маленькими или дешевыми, но они обладают тем преимуществом, что они реагируют на поля постоянного тока так же, как и на переменный ток. Устройства Холла мало используются, так как их разрешение хуже, и они страдают от дрейфа, но используются в более высоких полях.

Измерение электрических полей

Измерители электрических полей обычно используют в качестве датчиков две параллельные токопроводящие пластины. Альтернативные датчики, например основанные на вращении поляризованного света, встречаются реже.

Доступны трехкоординатные измерители электрического поля, но более распространены одноосные измерители. Отчасти это связано с тем, что для электрических полей сложнее сделать трехосные измерители, чем для магнитных полей, а отчасти потому, что в одной общей ситуации измерения, вблизи земли под воздушными линиями электропередач или рядом с ними, электрическое поле линейно поляризовано и в известной направление (вертикальное), поэтому одноосного измерителя вполне достаточно.

Человек, держащий измеритель электрического поля, будет возмущать поле.Для измерения невозмущенного поля измеритель обычно подвешивают на конце длинного непроводящего горизонтального стержня или вертикального штатива. Показания считываются с расстояния на дисплее подходящего размера, записываются в измерителе для последующего анализа или передаются на считывающее устройство по оптоволокну. Это может снизить возмущение до приемлемого уровня. Однако, учитывая легкость возмущения электрических полей, легко сделать ошибочные измерения, особенно когда есть:

  • крайние значения температуры и влажности;
  • недостаточное расстояние зонда от исследователя;
  • нестабильность в положении счетчика;
  • потеря токонепроводящих свойств опорного стержня.

Электрические поля также можно измерять в фиксированных точках, например под линиями электропередачи или в лабораторных камерах экспонирования путем измерения тока, собираемого плоской проводящей пластиной, установленной на уровне земли. Для синусоидальных полей плотность электрического потока может быть рассчитана на основе площади пластины (A), диэлектрической проницаемости вакуума, частоты (f) и измеренного тока, индуцированного в пластине, в приведенном ниже выражении:

E = I rms / 2πfε 0 A

Существуют индивидуальные измерители воздействия электрических полей.Однако ношение измерителя на теле непредсказуемо нарушает измеряемое электрическое поле. Обычно при измерении воздействия электрических полей на большие группы людей измеритель помещается в нарукавную повязку, карман рубашки или сумку на поясе. Возмущение окружающего поля телом не позволяет получить абсолютное значение поля, и, в лучшем случае, среднее значение таких измерений отражает относительный уровень воздействия.

Напряженность электрического поля — калькулятор.org

Что такое напряженность электрического поля?

Напряженность электрического поля определяется в точке поля как равная силе, которая будет действовать на небольшой единичный заряд (один кулон), помещенный в эту точку. Напряженность электрического поля также известна как напряженность электрического поля и является выражением напряженности электрического поля в определенном месте.

Идея электрического поля была впервые предложена Майклом Фарадеем и создается любым электрически заряженным объектом.Это поле влияет на другие заряженные объекты в непосредственной близости от первого объекта. Направление силы дает направление электрического поля. Электрическая энергия содержится в электрических полях и пропорциональна квадрату напряженности поля. Напряженность электрического поля — это векторная величина (она имеет как величину, так и направление). Движущийся электрический заряд создает магнитное поле, и на самом деле два типа поля взаимосвязаны и могут рассматриваться как одно и то же явление, рассматриваемое с разных систем отсчета.

В системе СИ единица измерения напряженности электрического поля — ньютоны на кулон (Н / Кл) или вольт на метр (В / м).

Закон Кулона гласит, что сила, действующая между двумя зарядами, пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Математически:

F = k q 1 q 2 / r 2

Где q 1 и q 2 — два точечных заряда, F — сила, действующая на каждый из двух точечных зарядов, r — расстояние между зарядами, а k — константа пропорциональности.Значение k зависит от среды между двумя зарядами. Если два заряда разделены свободным пространством, то k = 1 / (4 π)

Сила, испытываемая очень маленьким испытательным зарядом q, помещенным в поле E в вакууме, определяется выражением E = F / q, где F — это сила. Испытательный заряд q должен быть бесконечно малым, чтобы он не искажал измеряемое поле.

Добавьте эту страницу в закладки в своем браузере, используя Ctrl и d или используя одну из следующих служб: (открывается в новом окне)

Новый датчик для измерения напряженности электрического поля — ScienceDaily

Компания TU Wien разработала датчик для измерения напряженности электрического поля, который намного меньше, проще и менее подвержен искажениям, чем сопоставимые устройства.

Точное измерение электрических полей важно в различных приложениях, таких как прогнозирование погоды, управление технологическими процессами на промышленном оборудовании или обеспечение безопасности людей, работающих на высоковольтных линиях электропередачи. Однако с технологической точки зрения это непростая задача.

В отступление от принципа проектирования, которому до сих пор следовали все другие измерительные устройства, исследовательская группа из TU Wien разработала кремниевый датчик в качестве микроэлектромеханической системы (MEMS).Этот датчик, разработанный совместно с Департаментом интегрированных сенсорных систем Дунайского университета Кремса, имеет главное преимущество в том, что он не искажает само электрическое поле, которое он в настоящее время измеряет. Введение в новый датчик также было опубликовано в электронном журнале «Nature Electronics».

Искажающие измерительные приборы

«Оборудование, используемое в настоящее время для измерения напряженности электрического поля, имеет ряд существенных недостатков, — поясняет Андреас Кайнц из Института систем датчиков и приводов (факультет электротехники, Венский университет).«Эти устройства содержат части, которые становятся электрически заряженными. Проводящие металлические компоненты могут значительно изменить измеряемое поле; эффект, который становится еще более заметным, если устройство также необходимо заземлить, чтобы обеспечить точку отсчета для измерения». Такое оборудование также является относительно непрактичным и сложным для транспортировки.

Датчик, разработанный командой TU Wien, сделан из кремния и основан на очень простой концепции: небольшие кремниевые структуры в форме сетки размером всего несколько микрометров фиксируются на небольшой пружине.Когда кремний подвергается воздействию электрического поля, на кристаллы кремния действует сила, в результате чего пружина слегка сжимается или растягивается.

Эти крошечные движения теперь необходимо сделать видимыми, для чего было разработано оптическое решение: дополнительная сетка, расположенная над подвижной кремниевой решеткой, выстроена так точно, что отверстия решетки на одной решетке скрыты за другой. Когда присутствует электрическое поле, подвижная конструкция немного отклоняется от идеального совмещения с фиксированной решеткой, позволяя свету проходить через отверстия.Этот свет измеряется, по которому можно рассчитать напряженность электрического поля с помощью надлежащим образом откалиброванного устройства.

Prototype достигает впечатляющего уровня точности

Новый кремниевый датчик измеряет не направление электрического поля, а его силу. Его можно использовать для полей относительно низкой частоты до одного килогерца. «Используя наш прототип, мы смогли надежно измерить слабые поля менее 200 вольт на метр», — говорит Андреас Кайнц.«Это означает, что наша система уже работает примерно на том же уровне, что и существующие продукты, хотя она значительно меньше и намного проще». И еще есть большой потенциал для улучшения: «Другие методы измерения — это уже зрелые подходы — мы только начинаем. В будущем, безусловно, можно будет достичь даже значительно лучших результатов с нашим микроэлектромеханическим датчиком», — уверенно добавляет Андреас Кайнц.

Источник рассказа:

Материалы предоставлены Венским технологическим университетом, Венский технический университет.Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

% PDF-1.5
%
86 0 объект
>
эндобдж

xref
86 74
0000000016 00000 н.
0000002325 00000 н.
0000002424 00000 н.
0000003064 00000 н.
0000003100 00000 н.
0000003499 00000 н.
0000003908 00000 н.
0000004355 00000 п.
0000004468 00000 н.
0000004579 00000 п.
0000005742 00000 н.
0000006016 00000 н.
0000006657 00000 н.
0000007157 00000 н.
0000008111 00000 п.
0000008570 00000 н.
0000008947 00000 н.
0000008974 00000 н.
0000009608 00000 н.
0000009750 00000 н.
0000010249 00000 п.
0000010518 00000 п.
0000010890 00000 п.
0000011139 00000 п.
0000012370 00000 п.
0000013413 00000 п.
0000013545 00000 п.
0000013927 00000 п.
0000013954 00000 п.
0000014431 00000 п.
0000014803 00000 п.
0000015058 00000 п.
0000016133 00000 п.
0000017376 00000 п.
0000017750 00000 п.
0000018028 00000 п.
0000018417 00000 п.
0000019352 00000 п.
0000020003 00000 п.
0000020612 00000 п.
0000023262 00000 н.
0000023332 00000 п.
0000023696 00000 п.
0000063857 00000 п.
0000063938 00000 п.
0000064008 00000 п.
0000084279 00000 н.
0000115574 00000 н.
0000116104 00000 н.
0000116387 00000 н.
0000149934 00000 н.
0000192558 00000 н.
0000192643 00000 н.
0000212792 00000 н.
0000234260 00000 н.
0000234523 00000 п.
0000235005 00000 н.
0000235442 00000 н.
0000235479 00000 н.
0000243706 00000 н.
0000243966 00000 н.
0000244377 00000 н.
0000266142 00000 н.
0000266405 00000 н.
0000266814 00000 н.
0000292226 00000 н.
0000292509 00000 н.
0000292974 00000 н.
0000338798 00000 н.
00003

00000 н.
0000391740 00000 н.
0000403778 00000 н.
0000406355 00000 н.
0000001776 00000 н.
трейлер
] / Назад 1525032 >>
startxref
0
%% EOF

159 0 объект
> поток
hb«e«f`c` ̀

Обзор | Безграничная физика

Связь между электрическим потенциалом и полем

Электрический потенциал и поле связаны между собой в том смысле, что потенциал — это свойство поля, которое описывает действие поля.

Цели обучения

Объясните взаимосвязь между электрическим потенциалом и электрическим полем

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрическое поле — мера силы на единицу заряда; электрический потенциал — это мера энергии на единицу заряда.
  • Для однородного поля соотношение между электрическим полем (E), разностью потенциалов между точками A и B (Δ) и расстоянием между точками A и B (d) составляет: [latex] \ text {E} = — \ frac {\ Delta \ phi} {\ text {d}} [/ latex] Если поле неоднородно, для решения требуется исчисление.
  • Потенциал — это свойство поля, которое описывает действие поля на объект.
Ключевые термины
  • электрическое поле: область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.
  • электрический потенциал: потенциальная энергия на единицу заряда в точке в статическом электрическом поле; Напряжение.

Связь между электрическим потенциалом и полем аналогична взаимосвязи между гравитационным потенциалом и полем в том смысле, что потенциал — это свойство поля, описывающее действие поля на объект (см.).

Электрическое поле и потенциал в одном измерении: Наличие электрического поля вокруг статического точечного заряда (большая красная точка) создает разность потенциалов, в результате чего тестовый заряд (маленькая красная точка) испытывает силу и перемещается.

Электрическое поле похоже на любое другое векторное поле — оно создает силу, основанную на стимуле, и имеет единицы силы, умноженные на обратный стимул. В случае электрического поля стимулом является заряд, и, следовательно, единицы измерения равны NC -1 .Другими словами, электрическое поле — это мера силы на единицу заряда.

Электрический потенциал в точке — это отношение потенциальной энергии любой заряженной частицы в этой точке к заряду этой частицы. Его единицы — JC -1 . Таким образом, электрический потенциал — это мера энергии на единицу заряда.

В единицах измерения электрический потенциал и заряд тесно связаны. У них есть общий множитель обратных кулонов (C -1 ), в то время как сила и энергия различаются только на коэффициент расстояния (энергия — это произведение силы на расстояние).

Таким образом, для однородного поля соотношение между электрическим полем (E), разностью потенциалов между точками A и B (Δ) и расстоянием между точками A и B (d) составляет:

[латекс] \ text {E} = — \ frac {\ Delta \ phi} {\ text {d}} [/ latex].

Коэффициент -1 возникает из-за отталкивания положительных зарядов: положительный заряд будет отталкиваться от положительно заряженной пластины к месту с более высоким напряжением.

Приведенное выше уравнение представляет собой алгебраическое соотношение для однородного поля.В более чистом смысле, без предположения об однородности поля, электрическое поле — это градиент электрического потенциала в направлении x:

[латекс] \ text {E} _ \ text {x} = — \ frac {\ text {dV}} {\ text {dx}} [/ latex].

Это можно вывести из основных принципов. Учитывая, что ∆P = W (изменение энергии заряда равно работе, выполненной над этим зарядом), применяя закон сохранения энергии, мы можем заменить ∆P и W другими членами. ∆P может быть заменен на его определение как произведение заряда (q) и дифференциала потенциала (dV).Затем мы можем заменить W на его определение как произведение q, электрического поля (E) и разности расстояний в направлении x (dx):

[латекс] \ text {qdV} = — \ text {qE} _ \ text {xdx} [/ latex].

Разделив обе части уравнения на q, получим предыдущее уравнение.

Электрическая потенциальная энергия и разность потенциалов

Электрическая потенциальная энергия возникает в результате сил между зарядами; разность потенциалов — это энергия, необходимая для перемещения заряда из точки A в точку B.

Цели обучения

Рассчитайте потенциальную энергию между зарядами

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрическая потенциальная энергия — это тип потенциальной энергии, возникающей в результате кулоновских сил. Потенциальная энергия (UE) между зарядами q и Q может быть вычислена как функция расстояния между зарядами (r): [latex] \ text {U} _ \ text {E} (\ text {r}) = \ frac {\ text {qQ}} {4 \ pi \ epsilon_0 \ text {r}} [/ latex].
  • Формула для потенциальной энергии может быть изменена для потенциала между многими зарядами, если учитываются взаимодействия каждого заряда с каждым другим зарядом в системе.Например, потенциал между тремя зарядами можно определить с помощью следующей формулы: [latex] \ text {U} _ \ text {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0 \ text {r}} (\ frac {\ text {Q} _1 \ text {Q} _2} {\ text {r} {12}} + \ frac {\ text {Q} _2 \ text {Q} _3} {\ text {r} {23} } + \ frac {\ text {Q} _1 \ text {Q} _3} {\ text {r} {13}}) [/ latex].
  • Разность потенциалов или напряжение — это разница в электрической потенциальной энергии между двумя точками. Он обозначается ∆V и измеряется в вольтах или джоулях на кулон.
Ключевые термины
  • кулон: В Международной системе единиц — производная единица электрического заряда; количество электрического заряда, переносимого током в 1 ампер, протекающим в течение 1 секунды.Символ: C
  • потенциальная энергия: энергия, которой обладает объект из-за его положения (в гравитационном или электрическом поле) или его состояния (в виде растянутой или сжатой пружины, в качестве химического реагента или благодаря наличию массы покоя)

Электрическая потенциальная энергия — это тип потенциальной энергии, возникающей в результате действия кулоновских сил. Он измеряется в джоулях и зависит от расположения заряженных частиц относительно друг друга, а также от величины их соответствующих зарядов.

Потенциальная энергия (U E ) между зарядами q и Q может быть рассчитана как функция расстояния между зарядами (r):

[латекс] \ text {U} _ \ text {E} (\ text {r}) = \ frac {\ text {qQ}} {4 \ pi \ epsilon_0 \ text {r}} [/ latex]

Если имеется три или более зарядов, приведенная выше формула может быть изменена так, чтобы потенциальные энергии между всеми зарядами суммировались. Рассмотрим, например, случай с обвинениями Q 1 , Q 2 и Q 3 :

[латекс] \ text {U} _ \ text {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0 \ text {r}} (\ frac {\ text {Q} _1 \ text {Q} _2} {\ text {r} {12}} + \ frac {\ text {Q} _2 \ text {Q} _3} {\ text {r} {23}} + \ frac {\ text {Q} _1 \ text { Q} _3} {\ text {r} {13}}) [/ latex]

В этом примере r 12 представляет расстояние между Q 1 и Q 2 , r 23 представляет расстояние между Q 2 и Q 3 , а r 13 представляет расстояние между Q 1 и Q 3 .Приведенная выше формула может быть изменена для любого количества зарядов.

Потенциальная разница

Разность потенциалов или напряжение — это разница в электрической потенциальной энергии между двумя точками. Он обозначается ∆V и измеряется в вольтах или джоулях на кулон.

Electric Potential Difference: Краткий обзор разности электрических потенциалов и электрической потенциальной энергии для начинающих студентов-физиков.

Напряжение — это работа на единицу заряда, которую необходимо совершить против статического электрического поля, чтобы переместить заряд из одной точки в другую.Он может представлять собой источник энергии или потерянную, накопленную или использованную энергию. Напряжение также определяется таким образом, что отрицательные заряды тянутся к более высоким напряжениям, а положительные заряды перемещаются к более низким напряжениям. Таким образом, ток в проводах течет от более высокого напряжения к более низкому.

Разница потенциалов не зависит от пути, пройденного от одной точки до другой, и может быть измерена любым из множества инструментов. К ним относятся вольтметр, потенциометр и осциллограф. Чаще всего его измеряют в схемах, и в таких ситуациях его можно вычислить с помощью закона Ома, который будет рассмотрен в более позднем атоме.

Разница потенциалов в статическом поле: Когда заряд q перемещается из точки A в точку B, разность потенциалов не зависит от пройденного пути.

Электрическое поле и изменение электрического потенциала

Электрическое поле — это градиент потенциала, который обратно пропорционален расстоянию от точки интереса до заряда.

Цели обучения

Вычислить электрический потенциал, создаваемый распределением заряда постоянной величины

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Для любого заряда постоянного значения (Q) потенциал (VE) на определенном расстоянии от него (r) можно рассчитать по формуле: [latex] \ text {V} _ \ text {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0} \ frac {\ text {Q}} {\ text {r}} [/ latex] Где ε0 — электрическая постоянная, также известная как диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
  • Для одного точечного заряда потенциал будет постоянным для всех точек на определенном радиальном расстоянии. Несколько точек с одинаковым потенциалом известны как эквипотенциальные.
  • Когда несколько зарядов создают поле, эквипотенциальные линии приобретают неправильную форму. Это связано с тем, что поля, создаваемые каждым зарядом, перекрываются, таким образом, потенциал увеличивается в любой точке по сравнению с тем, который возник бы от одного или другого заряда.
Ключевые термины
  • эквипотенциальный: область, каждая точка которой имеет одинаковый потенциал.
  • радиальный: перемещение по радиусу.

Любой заряд создает вокруг себя векторное поле (известное как электрическое поле). Электрическое поле — это градиент потенциала, который обратно пропорционален расстоянию от интересующей точки до заряда. Размещение второго заряда в системе («пробный заряд») приводит к тому, что два заряда испытывают силу (единицы поля — ньютоны, мера силы на кулон), заставляя заряды перемещаться относительно друг друга. Проще всего смоделировать взаимодействия между двумя зарядами так, чтобы один считался неподвижным, пока пробный заряд движется.

По мере движения пробного заряда потенциал между ним и другим зарядом изменяется, как и электрическое поле. Связь между потенциалом и полем (E) является дифференциальной: электрическое поле — это градиент потенциала (V) в направлении x. Это может быть представлено как:

[латекс] \ text {E} _ \ text {x} = — \ frac {\ text {dV}} {\ text {dx}} [/ latex].

Эквипотенциальные линии: Изолированный точечный заряд Q с линиями электрического поля (синий) и эквипотенциальными линиями (зеленый)

Таким образом, когда тестовый заряд перемещается в направлении x, скорость его изменения потенциала является величиной электрического поля.

В момент перед движением пробного заряда его потенциальная энергия максимальна, а его кинетическая энергия равна 0. Для любого заряда постоянного значения (Q) потенциал на определенном расстоянии от него (r) может быть рассчитан из следующее уравнение:

[латекс] \ text {V} _ \ text {E} = \ frac {1} {4 \ pi \ epsilon_0} \ frac {\ text {Q}} {\ text {r}} [/ latex],

, где ε 0 — электрическая постоянная, также известная как диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Движение к заряду и от него приводит к изменению потенциала; соотношение между расстоянием и потенциалом обратное.

Для одного точечного заряда потенциал будет постоянным для всех точек на определенном радиальном расстоянии. Несколько точек с одинаковым потенциалом известны как эквипотенциальные. В случае полей, созданных точечным зарядом, все точки на любой окружности с центром вокруг точечного заряда будут эквипотенциальными, как показано на.

показывает, что когда несколько зарядов создают поле, эквипотенциальные линии приобретают неправильную форму. Это связано с тем, что поля, создаваемые каждым зарядом, перекрываются, таким образом, потенциал увеличивается в любой точке по сравнению с тем, который возник бы от одного или другого заряда.

Потенциалы и заряженные проводники

Электрический потенциал внутри заряженного проводника равен нулю, но может быть вычислен как ненулевое значение вне заряженного проводника.

Цели обучения

Определить электрический потенциал внутри и снаружи заряженного проводника

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрический потенциал (∆V) и поле (E) связаны согласно интегралу: [latex] \ Delta \ text {V} = — \ int _ {\ text {i}} ^ {\ text {f}} \ ! \ vec {\ text {E}} \ cdot \ mathrm {\ text {d}} \ vec {\ text {l}} [/ latex], где l — расстояние между двумя точками, между которыми определяется разность потенциалов.
  • Учитывая, что электрическое поле постоянно равно 0 для любого места внутри заряженного проводника, разность потенциалов в этом же объеме не может иметь никакого значения, кроме 0.
  • Для точек вне проводника потенциал отличен от нуля и может быть вычислен в соответствии с полем и расстоянием от проводника.
Ключевые термины
  • электрический потенциал: потенциальная энергия на единицу заряда в точке в статическом электрическом поле; Напряжение.
  • электрическое поле: Область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.
  • работа: Мера энергии, затрачиваемой на перемещение объекта; чаще всего, сила, умноженная на смещение. Если объект не двигается, работа не выполняется.

Когда проводник становится заряженным, этот заряд распространяется по его поверхности, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. Его поверхность эквипотенциальная. \ text {f} \! \ vec {\ text {F}} \ cdot \ mathrm {\ text {d}} \ vec {\ text {l}} [/ latex]

Это уравнение работы, в котором вместо W.\ text {f} \! \ vec {\ text {E}} \ cdot \ mathrm {\ text {d}} \ vec {\ text {l}} [/ latex]

Наконец, мы выводим уравнение:

[латекс] \ text {dV} = — \ vec {\ text {E}} \ cdot \ mathrm {\ text {d}} \ vec {\ text {l}} = 0 [/ латекс]

Таким образом, мы можем заключить, что, учитывая, что электрическое поле постоянно равно 0 для любого места внутри заряженного проводника, разность потенциалов в том же объеме должна быть постоянной и равной 0.

С другой стороны, для точек вне проводника потенциал отличен от нуля и может быть определен тем же самым уравнением в зависимости от поля и расстояния от проводника.

Равномерное электрическое поле

Электрическое поле, которое является однородным, — это такое поле, которое достигает недостижимой стабильности, будучи постоянным повсюду.

Цели обучения

Описание свойств и приближения однородного электрического поля

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Однородное электрическое поле — это приближение, позволяющее выполнять простые вычисления, не требующие дифференциального исчисления. Каждое поле будет иметь по крайней мере некоторую неровность, хотя некоторые могут быть почти однородными.
  • Уравнение для величины однородного электрического поля: [latex] \ text {E} = \ frac {- \ Delta \ phi} {\ text {d}} [/ latex], где E — поле, Δ — разность потенциалов между пластинами, а d — расстояние между пластинами.
  • Для случая, когда положительный заряд q перемещается из точки A с определенным потенциалом (V 1 ) в точку B с другим потенциалом (V 2 ), это уравнение выглядит следующим образом: [латекс] \ text { W} = — \ text {q} (\ text {V} _2- \ text {V} _1) [/ latex] Разница (V 2 -V 1 ) также может быть представлена ​​как ∆V или V АБ .
  • В однородных полях также просто вычислить разность потенциалов: [latex] \ text {V} _ {\ text {AB}} = \ text {Ed} [/ latex] В этом случае напряженность поля E, а расстояние между точками A и B находится d.
Ключевые термины
  • разность потенциалов: разница в потенциальной энергии между двумя точками в электрическом поле; разница в заряде между двумя точками в электрической цепи; Напряжение.
  • электрическое поле: Область пространства вокруг заряженной частицы или между двумя напряжениями; он воздействует на заряженные объекты поблизости.

Однородное поле — это то, в котором электрическое поле постоянно на всем протяжении. Как и так называемая «поверхность без трения» в механике, однородное поле является идеальной, но нереальной ситуацией, которая упрощает вычисления. Уравнения с неоднородными электрическими полями требуют использования дифференциального исчисления.

Однородность электрического поля можно приблизительно определить, поместив две проводящие пластины параллельно друг другу и создав между ними разность потенциалов.В таком случае поле возле его краев будет немного изменяться, но оно будет примерно постоянным во всех остальных областях.

Уравнение величины однородного электрического поля:

[латекс] \ text {E} = \ frac {- \ Delta \ phi} {\ text {d}} [/ latex]

где E — поле, Δ — разность потенциалов между пластинами, а d — расстояние между пластинами. Коэффициент -1 возникает из-за того, что положительные заряды отталкиваются, и, таким образом, положительный заряд будет отталкиваться от положительной пластины в направлении, противоположном направлению увеличения напряжения.

Однородность электрического поля позволяет легко рассчитать работу, выполняемую при перемещении испытательного заряда. Для случая, когда положительный заряд q перемещается из точки A с определенным потенциалом (V 1 ) в точку B с другим потенциалом (V 2 ), это уравнение имеет вид:

[латекс] \ text {W} = — \ text {q} (\ text {V} _2- \ text {V} _1) [/ latex]

Разница (V 2 -V 1 ) также может быть представлена ​​как ∆V или V AB .В однородных полях также просто связать ∆V с напряженностью поля и расстоянием (d) между точками A и B:

[латекс] \ text {V} _ {\ text {AB}} = \ text {Ed} [/ latex]

Взаимосвязи в однородном электрическом поле: На этом изображении работа (W), напряженность поля (E) и разность потенциалов (∆V) определены для точек A и B в рамках построения однородного потенциального поля между положительным и отрицательным тарелки.

Энергосбережение

Энергия сохраняется при движении заряженной частицы через электрическое поле, как и в любой другой физической ситуации.

Цели обучения

Сформулировать принцип сохранения энергии заряженной частицы в электрическом поле

Основные выводы

Ключевые моменты
  • При наличии стационарного испытательного заряда в определенном месте приложенное электрическое поле заставит заряд переместиться в один или другой конец, в зависимости от заряда.
  • Положительные испытательные заряды будут двигаться в направлении поля; отрицательные заряды будут двигаться в противоположном направлении.
  • В момент приложения поля неподвижный пробный заряд имеет нулевую кинетическую энергию, а его электрическая потенциальная энергия максимальна.Затем заряд ускоряется, и его кинетическая энергия (от движения) увеличивается по мере уменьшения его потенциальной энергии. Сумма энергий всегда постоянна.
  • Формулу, иллюстрирующую сохранение энергии, можно записать разными способами, но все выражения основаны на простой предпосылке приравнивания начальной и конечной сумм кинетической и потенциальной энергии.
Ключевые термины
  • кинетическая энергия: энергия, которой обладает объект из-за его движения, равная половине массы тела, умноженной на квадрат его скорости.
  • разность потенциалов: Разница в потенциальной энергии между двумя точками в электрическом поле; разница в заряде между двумя точками в электрической цепи; Напряжение.
  • потенциальная энергия: энергия, которой обладает объект из-за его положения (в гравитационном или электрическом поле) или его состояния (в виде растянутой или сжатой пружины, в качестве химического реагента или благодаря наличию массы покоя)

Энергия сохраняется при движении заряженной частицы через электрическое поле, как и в любой другой физической ситуации.Это явление можно выразить как равенство суммарной кинетической (E kin ) и электрической потенциальной (E el ) энергий:

[латекс] (\ text {E} _ {\ text {kin}} + \ text {E} _ {\ text {el}}) _ {\ text {initial}} = (\ text {E} _ { \ text {kin}} + \ text {E} _ {\ text {el}}) _ {\ text {final}} [/ latex]

При наличии стационарного испытательного заряда в определенном месте приложенное электрическое поле заставит заряд переместиться в один или другой конец, в зависимости от заряда (положительные испытательные заряды будут двигаться в направлении поля; отрицательные заряды будут двигаться внутрь). 2 + \ text {U}) _ {\ text {final}} [/ latex]

где m и v — масса и скорость электрона, соответственно, а U — электрическая потенциальная энергия.U можно рассчитать следующим образом:

[латекс] \ text {U} = \ text {q} _0 \ text {V} = \ text {k} \ frac {\ text {q} _0 \ text {q}} {\ text {r}} [ / латекс]

, где V — разность потенциалов, k — постоянная, q 0 — пробный заряд, q — другой заряд, а r — расстояние между зарядами.

Члены формулы сохранения энергии можно переписать разными способами, но все выражения основаны на простой предпосылке уравнивания начальной и конечной сумм кинетической и потенциальной энергии.

Сходства между действием гравитационного и электрического полей на объекте: Заряд + q перемещается вниз по электрическому полю так же, как объект m перемещается вниз по холму. В обоих случаях движущаяся частица переходит из состояния с более высокой потенциальной энергии в более низкое.

Электрон-вольт

Электрон-вольт — единица энергии, используемая в физике элементарных зарядов и электричества.

Цели обучения

Преобразование электронвольт в единицы энергии СИ

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрон-вольт определяется как количество энергии, полученной или потерянной зарядом электрона, перемещающегося через разность электрических потенциалов в один вольт.Его значение примерно равно 1,602 × 10 -19 Дж.
  • .

  • Электрон-вольт стал полезным благодаря экспериментам. Ученые, работающие с электростатическими ускорителями частиц, обычно использовали в своей работе соотношение между энергией (E), зарядом (q) и разностью потенциалов (V). Это соотношение: E = qV.
  • В качестве энергии электрон-вольт можно использовать во многих вычислениях, включая импульс, массу, длину волны и температуру.
Ключевые термины
  • разность потенциалов: разница в потенциальной энергии между двумя точками в электрическом поле; разница в заряде между двумя точками в электрической цепи; Напряжение.
  • ускоритель частиц: устройство, которое ускоряет электрически заряженные частицы до чрезвычайно высоких скоростей с целью инициирования высокоэнергетических реакций или получения высокоэнергетического излучения.
  • электрон-вольт: прибор для измерения энергии субатомных частиц; энергия равна энергии, полученной электроном, движущимся через разность потенциалов в один вольт. Эквивалентно 1,6022 x 10-19 джоулей.

Обзор

Электрон-вольт, обозначаемый эВ и иногда записываемый как электронвольт, — это единица энергии, используемая в физике элементарных зарядов и электричества.

Электрон-вольт определяется как количество энергии, полученной или потерянной зарядом электрона, перемещающегося через разность электрических потенциалов в один вольт. Таким образом, он равен произведению одного вольта (1 Дж / Кл) на один элементарный заряд, что дает ему значение в джоулях, приблизительно равное 1,602 × 10 -19 Дж.

Сам по себе электрон-вольт не является единицей СИ, он стал полезен в результате экспериментов. Ученые, работающие с электростатическими ускорителями частиц, обычно использовали соотношение между энергией (E), зарядом (q) и разностью потенциалов (V) в своей работе:

[латекс] \ text {E} = \ text {qV} [/ latex]

Все вычисления энергии по приведенному выше уравнению были квантованы как кратные элементарному заряду q для данного напряжения, и, таким образом, возникло обычное использование электрон-вольт в качестве единицы измерения.

Импульс

И электрон-вольт, и импульс являются мерой энергии, и они связаны между собой в физике высоких энергий. Приложение разности потенциалов к электрону дает ему энергию, которая проявляется в движении электрона через него. Учитывая, что у электрона есть масса и скорость, у него есть импульс. Деление электрон-вольт на константу с единицами измерения скорости дает импульс.

Масса

Учитывая, что масса эквивалентна энергии, электрон-вольт может измерять массу.2} [/ латекс]

Длина волны

Энергия E, частота v и длина волны λ фотона связаны соотношением

[латекс] \ text {E} (\ text {eV}) = \ text {hv} = \ frac {\ text {hc}} {\ lambda} [/ latex]

где h — постоянная Планка, c — скорость света. Таким образом, фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию примерно 2,33 эВ. Точно так же 1 эВ соответствует инфракрасному фотону с длиной волны 1240 нм и так далее.

Энергия фотонов в видимом спектре: взаимосвязь между длиной волны и энергией, выраженная в электрон-вольтах.

Температура

В физике плазмы электрон-вольт может использоваться как единица измерения температуры. Чтобы преобразовать в Кельвины, просто разделите значение 1 эВ (в Джоулях) на постоянную Больцмана (1,3806505 (24) × 10 -23 Дж / К).

Дипольные моменты

Электрический дипольный момент — это мера полярности в системе.

Цели обучения

Свяжите электрический дипольный момент с полярностью в системе

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрические дипольные моменты используются для измерения разделения положительных и отрицательных зарядов (полярности) в системе.Они измеряются в кулонах-метрах (Км).
  • Для точечных зарядов со значениями + q и -q электрический дипольный момент (p) может быть определен как: [latex] \ text {p} = \ text {qd} [/ latex], где q представляет собой заряды, а d представляет собой вектор смещения. Вектор смещения имеет величину расстояния между зарядами и направление от отрицательного заряда к положительному.
  • Все диполи испытывают крутящий момент, который вращает диполь, выравнивая его с электрическим полем.Этот крутящий момент можно рассчитать как произведение электрического дипольного момента и электрического поля.
Ключевые термины
  • дипольный момент: векторное произведение заряда на любом полюсе диполя на расстояние, разделяющее их.
  • вектор: направленная величина, имеющая как величину, так и направление; между двумя точками.
  • крутящий момент: вращательное или скручивающее действие силы; (Единица СИ ньютон-метр или Нм; британская единица измерения фут-фунт или фут-фунт)

Электрический дипольный момент — это мера полярности, которая представляет собой разделение положительных и отрицательных зарядов в системе.Он измеряется в кулонах-метрах (См · м). Существует много различных типов дипольных моментов, включая электрические дипольные моменты, магнитные дипольные моменты и топологические дипольные моменты.

К подмножеству электрических дипольных моментов относятся дипольные моменты переходов, дипольные моменты молекул, дипольные моменты связей и электрические дипольные моменты электронов. Для целей этого атома мы сосредоточимся на широком обзоре электрического дипольного момента в статических ситуациях.

Молекулярный дипольный момент в воде: эта молекула воды (H 2 O) имеет высокую плотность электронов (обозначена красной штриховкой) около красного атома O.Ближе к белым атомам H наблюдается малая плотность электронов. Следовательно, молекула является диполем, с отрицательностью около O и положительностью ближе к атомам H.

Определение

По сути, для случая точечных зарядов со значениями + q и -q электрический дипольный момент (p) может быть определен как векторное произведение зарядов и вектора смещения d:

[латекс] \ text {p} = \ text {qd} [/ latex]

Вектор смещения — это вектор с величиной, равной расстоянию между зарядами, и направлением, указывающим от отрицательного заряда к положительному.По сути, он взаимозаменяем с переменной «радиус» во многих других уравнениях (например, определяющих гравитационные и электростатические силы), за исключением того, что он включает фактор направления.

Крутящий момент

Все диполи испытывают крутящую силу или крутящий момент, когда они помещаются во внешние электрические поля. Этот крутящий момент вращает диполь, чтобы выровнять его с полем. Это вызвано необходимостью минимизировать потенциальную энергию. Крутящий момент (τ) можно рассчитать как произведение электрического дипольного момента и электрического поля (E), предполагая, что E пространственно однородно:

[латекс] \ tau = \ text {p} \ times \ text {E} [/ latex]

«$$ \ begin {matrix} & \ text {r (cm)} & \ text {1.{2} [/ math] против r и один для Er против r. (a) Используйте эти графики, чтобы определить, какой набор данных, A или B, относится к однородной линии заряда, а какой — к однородно заряженной сфере. Объясните свои рассуждения. (b) Используйте графики в части (a), чтобы вычислить [math] \ lambda [/ math] для однородной линии заряда и [math] \ rho [/ math] для равномерно заряженной сферы. :: Помощь и ответы на домашнее задание :: Slader

[математика] \ sinh [/ математика]

[math] \ sinh [/ math]

[math] \ ch [/ math]

[math] \ tanh [/ math]

[math] \ operatorname {sech} [/ math]

[math] \ operatorname {csch} [/ math]

[math] \ coth [/ math]

[математика] \ in [/ математика]

[математика] \ notin [/ математика]

[математика] \ подмножество [/ математика]

[математика] \ substeq [/ математика]

[математика] \ cap [/ математика]

[математика] \ чашка [/ математика]

[математика] \ существует [/ математика]

[math] \ forall [/ math]

[математика] \ грех [/ математика]

[math] \ sin [/ math]

[math] \ cos [/ math]

[math] \ tan [/ math]

[математика] \ сек [/ математика]

[math] \ csc [/ math]

[math] \ cot [/ math]

[математика] \ arcsin [/ математика]

[математика] \ arcsin [/ математика]

[математика] \ arccos [/ математика]

[математика] \ arctan [/ математика]

[math] \ operatorname {arcsec} [/ math]

[math] \ operatorname {arccsc} [/ math]

[math] \ operatorname {arccot} [/ math]

[math] \ theta [/ math]

[математика] \ phi [/ математика]

[математика] \ varphi [/ математика]

[математика] \ int_ {a} ^ {b} f (x) \, dx [/ math]

[математика] \ bigg | _ {a} ^ {b} [/ math]

[математика] \ left [\ right] _ {a} ^ {b} [/ math]

.