Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Электрическое поле – это векторное поле, действующее вокруг частиц обладающих электрическим зарядом. Оно входит в состав электромагнитного поля. Для него характерно отсутствие реальной визуализации. Оно невидимо, и может быть замечено только в результате силового воздействия, на которое реагируют другие заряженные тела с противоположными полюсами.

Как устроено и действует электрическое поле
По сути, поле является особым состоянием материи. Его действие проявляется в ускорении тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. К его характеризующим особенностям, можно отнести:
  • Действие только при наличии электрического заряда.
  • Отсутствие границ.
  • Наличие определенной величины воздействия.
  • Возможность определения только по результату действия.

Поле неразрывно связано с зарядами, которые находятся в определенной частице или теле. Оно может образовываться в двух случаях.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Первый предусматривает его появление вокруг электрических зарядов, а второй при перемещении электромагнитных волн, когда меняется электромагнитное поле.

Электрические поля воздействуют на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные частицы. В результате они получают силовое влияние. Пример воздействия поля можно наблюдать и в быту. Для этого достаточно создать электрический заряд. Учебники физики предлагают для этого простейший пример, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить поле вполне возможно, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы. На ее поверхности образуется заряд, что приводит к появлению электрического поля. Как следствие ручка притягивает мелкие частицы. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластиковой расчески.

Бытовым примером проявления электрического поля является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя заряды. При снятии такого предмета одежды электрическое поле подвергается различным силам воздействия, что и приводит к образованию световых вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов.

Свойства поля
Для характеристики электрического поля применяется 3 показателя:
  • Потенциал.
  • Напряженность.
  • Напряжение.
Потенциал

Данное свойство является одним из главных. Потенциал указывает на количество накопленной энергии применяемой для перемещения зарядов. По мере их сдвига энергия расточается, постепенно приближаясь к нулю. Наглядной аналогией данного принципа может выступить обыкновенная стальная пружина. В спокойном положении она не обладает никаким потенциалом, но только до того момента, пока не будет сжата. От такого воздействия она получает энергию противодействия, поэтому после прекращения влияния обязательно разогнется.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Когда пружина отпускается, то моментально распрямляется. Если на ее пути окажутся предметы, она начнет их двигать. Возвращаясь непосредственно к электрическому полю потенциал можно сравнить с приложенными усилиями на выпрямление назад.

Электрическое поле обладает потенциальной энергией, что и делает его способным выполнять определенное воздействие. Но перемещая заряд в пространстве, оно истощает свой ресурс. В том же случае если передвижение заряда внутри поля осуществляется под воздействием сторонней силы, то поле не только не теряет свой потенциал, но и пополняет его.

Также для большего понимания данной величины можно привести еще один пример. Предположим, что незначительный положительно заряженный заряд располагается далеко за пределами действия эл.поля. Это делает его совершенно нейтральным и исключает взаимный контакт. Если же в результате воздействия любой сторонней силы заряд будет двигаться по направлению к электрическому полю, то достигнув его границы, будет втянут в новую траекторию.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Энергия поля, затраченная на влияние относительно заряда в определенной точке воздействия, и будет называться потенциалом на этой точке.

Выражение электрического потенциала осуществляется через единицу измерения Вольт.

Напряженность

Этот показатель применяется для количественного выражения поля. Данная величина рассчитывается как отношение положительного заряда воздействующего на силу действия. Простым языком напряженность выражает силу эл.поля в определенном месте и времени. Чем выше напряженность, тем более выраженным будет влияние поля на окружающие предметы или живые существа.

Напряжение

Этот параметр образуется от потенциала. Он применяется для демонстрации количественного соотношения действия, которое производит поле. То есть, сам потенциал показывает объем накопленной энергии, а напряжение демонстрирует потери на обеспечение движения зарядов.

В электрическом поле положительные заряды перемещаются от точек с высоким потенциалом в места, где он ниже.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Что касается отрицательных зарядов, то они движутся противоположно. Как следствие осуществляется работа с использованием потенциальной энергии поля. Фактически напряжение между точками качественно выражает работу, совершенную полем для переноса единицы противоположно заряженных зарядов. Таким образом, термины напряжение и разность потенциалов это одно и то же.

Наглядное проявление поля

Электрическое поле имеет условное визуальное выражение. Для этого применяются графические линии. Они совпадают с линиями воздействия силы, которые излучают заряды вокруг себя. Помимо линии действия сил, также важно их направление. Для классификации линий за основу определения направлений принято использовать положительный заряд. Таким образом, стрелка движения поля идет от положительных частиц к отрицательным.

Чертежи, изображающие эл.поля, на линиях имеют направление в виде стрелки. Схематически в них всегда есть условное начало и конец. Таким образом, они не замыкаются сами на себе.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Силовые линии берут свое начало на точке нахождения положительного заряда и заканчиваются на месте отрицательных частиц.

Электрическое поле может иметь различные типы линий в зависимости не только от полярности заряда, который способствует их образованию, но и наличию сторонних факторов. Так, при встрече противоположных полей они начинают действовать друг на друга притягательно. Искаженные линий приобретают очертания гнутых дуг. В том же случае, когда встречаются 2 одинаковых поля, то они отталкиваются в противоположные стороны.

Сфера применения

Электрическое поле обладает рядом свойств, которые нашли полезное применение. Данное явление используется при создании различного оборудования для работы в нескольких весьма важных сферах.

Использование в медицине

Воздействия электрического поля на определенные участки тела человека позволяет повышать его фактическую температуру. Это свойство нашло свое применение в медицине. Специализированные аппараты обеспечивают воздействия на необходимые участки поврежденных или больных тканей.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В результате чего улучшается их кровообращение и возникает заживляющий эффект. Поле воздействует с высокой частотой, поэтому точечное влияние на температуру дает свои результаты и вполне ощутимо для больного.

Применение в химии

Данная сфера науки предусматривает использования различных чистых или смешанных материалов. В связи с этим работа с эл.полями не могла обойти эту отрасль. Компоненты смесей взаимодействуют с электрическим полем по-разному. В химии это свойство применяется для разделения жидкостей. Данный метод нашел лабораторное применение, но встречается и в промышленности, хотя и реже. К примеру, при воздействии полем осуществляется отделения в нефти загрязняющих компонентов.

Электрическое поле применяется для обработки при фильтрации воды. Оно способно отделить отдельные группы загрязняющих веществ. Такой способ обработки намного дешевле, чем использование сменных картриджей.

Электротехника

Использование электрического поля имеет весьма интересное применение в электротехнике.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Так, был разработан способ беспроводной передачи электричества от источника до потребителя. До недавнего времени все разработки имели теоретический и экспериментальный характер. Уже имеется эффективная реализация технологии зарядки телефона без применения непосредственного гибкого кабеля вставляемого в USB разъем смартфона. Данный способ пока не позволяет передавать энергию на продолжительное расстояние, но он совершенствуется. Вполне возможно, что в ближайшем будущем надобность в зарядных кабелях с блоками питания отпадет полностью.

При выполнении электромонтажных и ремонтных работ применяется светодиодная индикаторная отвертка, действующая на основе схемы полевого транзистора. Помимо ряда функций, она может реагировать на электрическое поле. Благодаря этому при приближении пробника к фазному проводу индикатор начинает светиться без фактического касания к токопроводящей жиле. Он реагирует на поле исходящие от проводника даже сквозь изоляцию. Наличие электрического поля позволяет находить токопроводящие провода в стене, а также определять точки их разрыва.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

Защититься от воздействия эл.поля можно при помощи металлического экрана, внутри которого его не будет. Это свойство широко применяется в электронике, чтобы исключить взаимное влияние электрических схем, которые расположены довольно близко друг к другу.

Возможности применения в будущем

Имеются и более экзотические возможности для электрического поля, которыми на сегодняшний день еще не обладает наука. Это коммуникации быстрее скорости света, телепортация физических объектов, перемещение за один миг между разомкнутыми местоположениями (червоточины). Однако для осуществления подобных планов будут нужны куда более сложные исследования и эксперименты, чем проведение экспериментов с двумя возможными исходами.

Однако наука все время развивается, открывая все новые возможности применения электр.поля. В будущем его сфера использования может значительно расшириться. Возможно, что оно найдет применение во всех значимых областях нашей жизни.

Похожие темы:

Компьютер как источник электростатического поля

При работе монитора на экране кинескопа накапливается электростатический заряд, создающий электростатическое поле ( ЭСтП ).Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В разных исследованиях, при разных условиях измерения значения ЭСтП колебались от 8 до 75 кВ/м. При этом люди, работающие с монитором, приобретают электростатический потенциал. Разброс электростатических потенциалов пользователей колеблется в диапазоне от -3 до +5 кВ. Когда ЭСтП субъективно ощущается, потенциал пользователя служит решающим фактором при возникновении неприятных субъективных ощущений. Заметный вклад в общее электростатическое поле вносят электризующиеся от трения поверхности клавиатуры и мыши. Эксперименты показывают, что даже после работы с клавиатурой, электростатическое поле быстро возрастает с 2 до 12 кВ/м. На отдельных рабочих местах в области рук регистрировались напряженности статических электрических полей более 20 кВ/м.

По обобщенным данным, у работающих за монитором от 2 до 6 часов в сутки функциональные нарушения центральной нервной системы происходят в среднем в 4,6 раза чаще, чем в контрольных группах, болезни сердечно-сосудистой системы — в 2 раза чаще, болезни верхних дыхательных путей — в 1,9 раза чаще, болезни опорно-двигательного аппарата — в 3,1 раза чаще.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений С увеличением продолжительности работы на компьютере соотношения здоровых и больных среди пользователей резко возрастает.

Исследования функционального состояния пользователя компьютера, проведенные в 1996 году в Центром электромагнитной безопасности, показали, что даже при кратковременной работе (45 минут) в организме пользователя под влиянием электромагнитного излучения монитора происходят значительные изменения гормонального состояния и специфические изменения биотоков мозга. Особенно ярко и устойчиво эти эффекты проявляются у женщин. Замечено, что у групп лиц (в данном случае это составило 20%) отрицательная реакция функционального состояния организма не проявляется при работе с ПК менее 1 часа. Исходя из анализа полученных результатов сделан вывод о возможности формирования специальных критериев профессионального отбора для персонала, использующего компьютер в процессе работы.

Влияние на зрение

К зрительному утомлению пользователя ВДТ относят целый комплекс симптомов: появление «пелены» перед глазами, глаза устают, делаются болезненными, появляются головные боли, нарушается сон, изменяется психофизическое состояние организма.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Необходимо отметить, что жалобы на зрение могут быть связаны как с упомянутыми выше факторами ВДТ, так м с условиями освещения, состоянием зрения оператора и др. Синдром длительной статистической нагрузки (СДСН). У пользователей дисплеев развивается мышечная слабость, изменения формы позвоночника. В США признано, что СДСН — профессиональное заболевания 1990-1991 годов с самой высокой скоростью распространения. При вынужденной рабочей позе, при статической мышечной нагрузке мышц ног, плеч, шеи и рук длительно пребывают в состоянии сокращения. Поскольку мышцы не расслабляются, в них ухудшается кровоснабжение; нарушается обмен веществ, накапливаются биопродукты распада и, в частности, молочная кислота. У 29 женщин с синдромом длительной статической нагрузки бралась биопсия мышечной ткани, в которых было обнаружено резкое отклонение биохимических показателей от нормы.

 Стресс

Пользователи дисплеев часто находятся в состоянии стресса. По данным Национального Института охраны труда и профилактики профзаболеваний США (1990 г.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений ) пользователи ВДТ в большей степени, чем другие профессиональные группы, включая авиадиспетчеров, подвержены развитию стрессорных состояний. При этом у большинства пользователей работа на ВДТ сопровождается значительном умственным напряжением. Показано, что источниками стресса могут быть: вид деятельности, характерные особенности компьютера, используемое программное обеспечение, организация работы, социальные аспекты. Работа на ВДТ имеет специфические стрессорные факторы, такие как время задержки ответа (реакции) компьютера при выполнении команд человека, «обучаемость командам управления» (простота запоминания, похожесть, простота использования и т.н.), способ визуализации информации и т.д. Пребывание человека в состоянии стресса может привести к изменениям настроения человека, повышению агрессивности, депрессии, раздражительности. Зарегистрированы случаи психосоматических расстройств, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, нарушение сна, изменение частоты пульса, менструального цикла.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Пребывание человека в условиях длительно действующего стресс-фактора может привести к развитию сердечно-сосудистых заболеваний.

Жалобы пользователей персонального компьютера возможные причины их происхождения.

Субъективные жалобыВозможные причины
резь в глазахвизуальные эргономические параметры монитора, освещение на рабочем месте и в помещении
головная больаэроионный состав воздуха в рабочей зоне, режим работы
повышенная нервозностьэлектромагнитное поле, цветовая гамма помещения, режим работы
повышенная утомляемостьэлектромагнитное поле, режим работы
расстройство памятиэлектромагнитное поле, режим работы
нарушение снарежим работы, электромагнитное поле
выпадение волосэлектростатические поля, режим работы
прыщи и покраснение кожиэлектростатические поле, аэроионный и пылевой состав воздуха в рабочей зоне
боли в животенеправильная посадка, вызванная неправильным устройством рабочего места
боль в поясниценеправильная посадка пользователя вызванная устройством рабочего места, режим работы
боль в запястьях и пальцахнеправильная конфигурация рабочего места, в том числе высота стола не соответствует росту и высоте кресла; неудобная клавиатура; режим работы

В качестве технических стандартов безопасности мониторов широко известны шведские ТСО92/95/98 и MPR II.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Эти документы определяют требования к монитору персонального компьютера по параметрам, способным оказывать влияние на здоровье пользователя. Наиболее жесткие требования к монитору предъявляет ТСО 95. Он ограничивает параметры излучения монитора, потребления электроэнергии, визуальные параметры, так что делает монитор наиболее лояльным к здоровью пользователя. В части излучательных параметров ему соответствует и ТСО 92. Разработан стандарт Шведской конфедерацией профсоюзов.

Стандарт MPR II менее жесткий – устанавливает предельные уровни электромагнитного поля примерно в 2,5 раза выше. Разработан Институтом защиты от излучений (Швеция) и рядом организаций, в том числе крупнейших производителей мониторов. В части электромагнитных полей стандарту MPR II соответствует российские санитарные нормы СанПиН 2.2.2.542-96 “Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работ”.

 Средства защиты пользователей от ЭМП

 В основном из средств защиты предлагаются защитные фильтры для экранов мониторов.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Они используется для ограничения действия на пользователя вредных факторов со стороны экрана монитора, улучшает эргономические параметры экрана монитора и снижает излучение монитора в направлении пользователя.

Программа по физике

Программа по физике

Программа по физике- экзаменационные вопросы

(биологи, второй курс, осенний семестр, 2002г.).

Электромагнетизм.

  1. Состояние электрозаряженности вещества и электронапряженности пространства. Электрический заряд — количественная характеристика нового состояния вещества, источник электрического поля. Закон сохранения заряда. Электрическое поле — материальный носитель электрического взаимодействия..
  2. Электростатическое взаимодействие. Принцип суперпозиции. Закон Кулона. Вектор напряженности — силовая характеристика электростатического поля. Линии поля.
  3. Поток вектора напряженности. Теорема Гаусса для напряженности электростатического поля.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Теорема Ирншоу.
  4. Применение теоремы Гаусса для расчета поля равномерно заряженных плоскости, цилиндра, сферы, шара.
  5. Работа сил электростатического поля над зарядом. Теорема о циркуляции напряженности электростатического поля.
  6. Потенциал и разность потенциалов электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля.
  7. Потенциал поля точечного заряда. Потенциальная энергия системы точечных зарядов.
  8. Проводники в электростатическом поле.
  9. Диэлектрики. Поляризуемость диэлектриков. Дипольный момент электронейтральной системы зарядов. Вектор электрической поляризованности (поляризации) вещества. Виды поляризованности диэлектриков.
  10. Вектор поляризованности и поляризационные заряды. Связь между плотностью поверхностных поляризационных зарядов и вектором поляризованности. Теорема о потоке вектора поляризации через замкнутую поверхность (закон сохранения заряда).
  11. Вектор электрической индукции.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Диэлектрическая восприимчивость и диэлектрическая проницаемость вещества.. Теорема Гаусса для вектора электрической индукции.
  12. Электроемкость, конденсаторы. Энергия заряженного конденсатора. Плотность энергии электростатического поля.
  13. Теория электрофора. Электростатический генератор Ван де Граафа.
  14. Электрический ток. Сила и плотность тока. Уравнение непрерывности — закон сохранения электрического заряда.
  15. Постоянный электрический ток. Законы Ома и Джоуля — Ленца в интегральной форме. Электрическое сопротивление.
  16. Условия существования постоянного тока, Сторонние силы Электродвижущая сила источника тока. Закон Ома для полной цепи.
  17. Цепи постоянного тока. Правила Кирхгофа для разветвленной цепи.
  18. Электродинамика и магнетизм. Магнитные явления. Магнитное поле. Магнитный момент рамки с током — магнитный диполь. Магнитное .поле земли.
  19. Опыт Эрстеда. Вектор магнитной индукции. Силовые линии магнитной индукции.
  20. Взаимодействие токов — опыты Ампера.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Сила Ампера. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле.
  21. Магнитное “поле” элемента тока. Закон Био-Савара. Магнитное поле бесконечного прямолинейного проводника с током и кругового витка с током.
  22. Поток вектора магнитной индукции. “Теорема Гаусса” для вектора магнитной индукции. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции — теорема Ампера. Вычисление вектора магнитной индукции поля соленоида.
  23. Магнитные свойства вещества. Намагничивание вещества. Вектор намагниченности (магнитной поляризованности). Вектор напряженности магнитного поля. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость вещества..
  24. Гипотеза Ампера и теорема о полном токе. Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.
  25. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея для явления электромагнитной индукции. Правило Ленца.
  26. Явление самоиндукции. Индуктивность контура. Коэффициент самоиндукции (индуктивность) соленоида. Магнитная энергия контура с током.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Плотность энергии магнитного поля.
  27. Квазистационарные электрические токи. Переменный ток. Закон Ома для элементов цепи переменного тока. Амплитудные и фазовые соотношения Индуктивное и емкостное сопротивление. Метод векторных диаграмм.
  28. Мгновенная и средняя мощность в цепи переменного тока. Действующие значения тока и напряжения. Активные и реактивные элементы цепи.
  29. Электромагнитный колебательный контур. Собственные и вынужденные колебания..
  30. Резонанс в электромагнитном колебательном контуре. Амплитудная и фазовая характеристики. Добротность, декремент затухания и полоса пропускания контура.
  31. Гипотеза Максвелла о вихревом электрическом поле. Ток смещения. Полная система уравнений Максвелла для электромагнитного поля в интегральной форме.
  32. Волновое решение системы уравнений Максвелла. Плоская бегущая, монохроматическая электромагнитная волна и ее свойства. Теорема Максвелла.
  33. Волновое уравнение. Скорость электромагнитных волн.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Абсолютный показатель преломления среды.
  34. 34 . Шкала электромагнитных волн. Длина волны, волновое число, период, частота.

    Оптика.

    1. Оптический диапазон шкалы электромагнитных волн. Свет. Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления света. Принцип Гюйгенса.
    2. 2.Интерференция света. Оптическая длина пути. Когерентность. Интерференционная картина от двух точечных монохроматических

      источников.

      3.Интерференционные схемы и устройства. Интерференция в тонких пленках (полосы равного наклона и полосы равной толщины).

      4.Кольца Ньютона — реализация схемы полос равной толщины.

      5.Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Зоны Френеля (графический метод). Дифракция Френеля на круглом отверстии.

      6.Дифракция Фраунгофера на щели. Дифракционная решетка (без вывода). Дифракционные спектры.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Спектральный анализ.

      7.Поляризация света. Естественный и поляризованный свет. Закон Малюса.

      8.Поляризация света при его отражении и преломлении на границе сред. Закон Брюстера.

      Электростатическое поле и его характеристики

      Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле.  Электростатическое поле – особый вид материи.

      Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее.
      Электростатическое поле не изменяется во времени.
      Силовой характеристикой электрического поля является напряженность

      Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают

      Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
                   
               или        
                                                                                                                                                                        Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий.

      Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на
      отрицательном (Силовые линии электростатических полей точечных зарядов.).

      Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем
      плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).

      Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее).

      Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей.
      Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным.

      Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов.

      Потенциал — энергетическая характеристика электрического поля.

      Потенциал — скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда.
      Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений                 φ = W / q
      где φ — потенциал в данной точке поля, W- потенциальная энергия заряда в данной точке поля.
      За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают  [φ] = В        (1В = 1Дж/Кл )
      За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж.
      Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции:
      Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:

      Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала.

      Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество.
      Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.

      Электрическое поле – FIZI4KA

      Электродинамика – раздел физики, изучающий свойства и взаимодействия электрических зарядов, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

      Электростатикой называется раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел или частиц.

      Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между электрически заряженными частицами или макротелами.

      Точечный заряд – заряженное тело, размер которого мал по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Электризация тел

      Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

      Способы электризации:

      • трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
      • через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
      • при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
      • при ударе;
      • под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

      Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

      Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

      Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

      Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

      Величина заряда тела будет равна

      где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
      ​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Важно!
      Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует.

      Электрические заряды взаимодействуют:

      • заряды одного знака отталкиваются:
      • заряды противоположных знаков притягиваются:

      Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

      Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Стрелка поворачивается на некоторый угол.

      Закон сохранения электрического заряда

      Систему называют замкнутой (электрически изолированной), если в ней не происходит обмена зарядами с окружающей средой.

      В любой замкнутой (электрически изолированной) системе сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри нее.

      Полный электрический заряд ​\( (q) \)​ системы равен алгебраической сумме ее положительных и отрицательных зарядов ​\( (q_1, q_2 … q_N) \)​:

      Важно!
      В природе не возникают и не исчезают заряды одного знака: положительный и отрицательный заряды могут взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны по модулю.

      Закон Кулона

      Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

      Закон Кулона формулируется так:
      сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

      где ​\( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \)​ (Н·м2)/Кл2 – коэффициент пропорциональности,
      ​\( \varepsilon_0=8.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений {-12} \)​ Кл2/(Н·м2) – электрическая постоянная.

      Коэффициент ​\( k \)​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

      Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

      Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

      где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

      Закон Кулона применим к взаимодействию

      • неподвижных точечных зарядов;
      • равномерно заряженных тел сферической формы.

      В этом случае ​\( r \)​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

      Важно!
      Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции).Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Действие электрического поля на электрические заряды

      Электрическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг электрически заряженных тел.

      Впервые понятие электрического поля было введено Фарадеем. Он объяснял взаимодействие зарядов следующим образом: каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое с некоторой силой действует на другой заряд.

      Свойства электрического поля заключаются в том, что оно:

      • материально;
      • создается зарядом;
      • обнаруживается по действию на заряд;
      • непрерывно распределено в пространстве;
      • ослабевает с увеличением расстояния от заряда.

      Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу.

      Силу, с которой электрическое поле действует на заряд, можно рассчитать по формуле:

      где ​\( \vec{E} \)​ – напряженность электрического поля, ​\( q \)​ – заряд.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов механики с учетом закона Кулона и вытекающих из него следствий.

      Алгоритм решения задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним:

      • сделать рисунок; указать силы, действующие на точечный заряд, помещенный в электрическое поле;
      • записать для заряда условие равновесия или основное уравнение динамики материальной точки;
      • выразить силы электрического взаимодействия через заряды и поля и подставить эти выражения в исходное уравнение;
      • если при взаимодействии заряженных тел между ними происходит перераспределение зарядов, к составленному уравнению добавить уравнение закона сохранения зарядов;
      • записать математически все вспомогательные условия;
      • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
      • проверить решение

      Напряженность электрического поля

      Напряженность электрического поля ​\( \vec{E} \)​ – векторная физическая величина, равная отношению силы ​\( F \)​, действующей на пробный точечный заряд, к величине этого заряда ​\( q \)​:

      Обозначение – \( \vec{E} \), единица измерения в СИ – Н/Кл или В/м.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений 9 \) (Н·м2)/Кл2,
      ​\( q_0 \)​ – заряд, создающий поле,
      ​\( r \)​ – расстояние от заряда, создающего поле, до данной точки.

      Напряженность поля точечного заряда в среде вычисляется по формуле:

      где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

      Важно!
      Напряженность электрического поля не зависит от величины пробного заряда, она определяется величиной заряда, создающего поле.

      Направление вектора напряженности в данной точке совпадает с направлением силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку.

      Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке направлена вдоль вектора напряженности ​\( \vec{E} \)​.

      Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и заканчиваются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность от положительного заряда и приходят из бесконечности к отрицательному заряду.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Распределение линий напряженности вокруг положительного и отрицательного точечных зарядов показано на рисунке.

      Определяя направление вектора ​\( \vec{E} \)​ в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

      Поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке, называется однородным электрическим полем. Однородным можно считать электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.

      Принцип суперпозиции электрических полей

      Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов.

      Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы ​\( N \)​ зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

      Электрические поля от разных источников существуют в одной точке пространства и действуют на заряд независимо друг от друга.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Потенциальность электростатического поля

      Электрическое поле с напряженностью ​\( \vec{E} \)​ при перемещении заряда ​\( q \)​ совершает работу. Работа ​\( A \)​ электростатического поля вычисляется по формуле:

      где ​\( d \)​ – расстояние, на которое перемещается заряд,
      ​\( \alpha \)​ – угол между векторами напряженности электрического поля и перемещения заряда.

      Важно!
      Эта формула применима для нахождения работы только в однородном электростатическом поле.

      Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

      Потенциальным называется поле, работа сил которого по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

      Важно!
      Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным.

      Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​\( W \)​, так как буквой ​\( E \)​ обозначают напряженность поля:

      Потенциальная энергия заряда ​\( q \)​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов вычисляется относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии поля силы тяжести). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства при решении задачи.

      Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

      Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

      Обозначение – ​\( \varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

      Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.

      Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

      Обозначение – ​\( \Delta\varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​\( U \)​ и называют напряжением.

      Важно!
      Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:

      Важно!
      Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле.

      В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

      Потенциал поля точечного заряда ​\( q \)​ в точке, удаленной от него на расстояние ​\( r \)​, вычисляется по формуле:

      Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

      Важно!
      Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​\( r =R \)​, где ​\( R \)​ – радиус шара).Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Напряженность поля внутри шара равна нулю.

      Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

      Свойства эквипотенциальных поверхностей

      • Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
      • Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

      В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

      Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

      Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

      Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

      Важно!
      Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

      Алгоритм решения таких задач:

      • установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
      • ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
      • записать законы сохранения и движения для объектов;
      • выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
      • составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
      • проверить решение.

      Проводники в электрическом поле

      Проводниками называют вещества, в которых может происходить упорядоченное перемещение электрических зарядов, т. е. протекать электрический ток.

      Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот, ионизованные газы. В проводниках есть свободные электрические заряды.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В металлах валентные электроны взаимодействующих друг с другом атомов становятся свободными.

      Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыточный отрицательный заряд, а на противоположной – избыточный положительный заряд.

      Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды расположены на поверхности проводника.

      Важно!
      Если внутри проводника есть полость, то напряженность в ней будет равна нулю независимо от того, какое поле имеется вне проводника и как заряжен проводник.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Внутренняя полость в проводнике экранирована (защищена) от внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита.

      Явление перераспределения зарядов во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

      Заряды, разделенные электростатическим полем, взаимно компенсируют друг друга, если проводник удалить из поля. Если такой проводник разрезать, не вынося из поля, то его части будут иметь заряды разных знаков.

      Важно!
      Во всех точках поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно к его поверхности. Поверхность проводника является эквипотенциальной (потенциалы всех точек поверхности проводника равны).

      Диэлектрики в электрическом поле

      Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

      В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Различают полярные и неполярные диэлектрики.

      В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

      Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

      Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

      Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

      Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

      В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

      Электрическая емкость. Конденсатор

      Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

      Обозначение – ​\( C \)​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

      Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

      Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

      Формула для вычисления электроемкости:

      где ​\( q \)​ – заряд проводника, ​\( \varphi \)​ – его потенциал.

      Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

      Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

      Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

      где ​\( q \)​ – модуль заряда одной из обкладок,
      ​\( U \)​ – разность потенциалов между обкладками.

      Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

      Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​\( S \)​, находящиеся на расстоянии ​\( d \)​ друг от друга.

      Электроемкость плоского конденсатора:

      где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,
      \( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      На электрической схеме конденсатор обозначается:

      Виды конденсаторов:

      • по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
      • по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
      • по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

      Конденсаторы можно соединять между собой.

      Параллельное соединение конденсаторов

      При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

      Общая емкость:

      Последовательное соединение конденсаторов

      При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

      Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

      Общее напряжение:

      Величина, обратная общей емкости:

      При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

      Важно!
      Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости.

      Применение конденсаторов
      Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

      Энергия электрического поля конденсатора

      Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

      Электрическая энергия конденсатора сосредоточена в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле, поэтому ее называют энергией электрического поля. Формулы для вычисления энергии электрического поля:

      Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению, то энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряженности.

      Плотность энергии электрического поля:

      где ​\( V \)​ – объем пространства между обкладками конденсатора.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Плотность энергии не зависит от параметров конденсатора, а определяется только напряженностью электрического поля.

      Основные формулы раздела «Электрическое поле»

      Электрическое поле

      3.1 (61.38%) 58 votes

      Доказана возможность образования алмаза под действием электрического поля в мантии Земли


      Алмаз, благодаря сочетанию уникальных свойств, продолжает привлекать внимание исследователей. Эти природные кристаллы добывают с древнейших времен, а их «синтетическая» история началась с середины 50-х годов прошлого века. Комплексные исследования природных и синтезированных алмазов формируют представления об условиях образования и создают основу для их широкого использования в новых областях науки и техники.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений


      «Наша лаборатория проводит исследования по экспериментальной минералогии алмаза, используя оригинальную беспрессовую аппаратуру высокого давления «разрезная сфера» (БАРС). Направления исследований лаборатории связаны с моделированием природного алмазообразования и выращиванием его кристаллов со специальными свойствами для высокотехнологических применений», — рассказывает Юрий Пальянов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией экспериментальной минералогии и кристаллогенезиса Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН (Новосибирск).


      По современным представлениям существование электрических полей в глубинных зонах Земли считается общепризнанным, но влияние таких полей на минералообразующие процессы в мантии пока не изучено. Карбонаты обнаружены в качестве включений в природных алмазах и представляют собой наиболее вероятную алмазообразующую среду, которая в условиях мантии Земли характеризуется высокой электропроводностью.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений


      «Эти обстоятельства натолкнули нас на мысль о возможном влиянии электрического поля на мантийные процессы. Для экспериментальных исследований мы разработали специальную электрохимическую ячейку, позволяющую в условиях высоких температур и давлений воздействовать на вещество электрическим полем», — комментирует Юрий Пальянов.


      Ученые из ИГМ СО РАН впервые предложили и экспериментально обосновали модель образования алмаза в условиях мантии Земли при воздействии электрического поля на карбонатные и карбонатно-силикатные расплавы, соответствующие по составу природным алмазообразующим средам. В работе установлено, что за счет разности потенциалов (0,4-1 вольт, что втрое меньше, чем у пальчиковой батарейки) происходит экстракция углерода из карбонатов и кристаллизация алмаза на катоде (отрицательно заряженном электроде) в ассоциации с мантийными минералами. В изученном процессе карбонаты являются главными компонентами среды кристаллизации алмаза и единственным источником углерода.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Это подтвердили высокоточные исследования изотопного состава углерода карбонатов и образующихся из них алмазов, которые проведены в Немецком исследовательском центре наук о Земле в Постдаме.


      «Полученные результаты ясно демонстрируют, что электрические поля могут значимо влиять на мантийные минералообразующие процессы, изотопное фракционирование углерода и глобальный углеродный цикл, — подводит итог Юрий Пальянов. — Оригинальная методика и первые экспериментальные данные открывают перспективы дальнейших исследований в минералогии, петрологии и геохимии мантии Земли под действием электрических полей, а также представляют интерес для разработки новых способов получения алмазов со специальными свойствами и других углеродных материалов».

      Техногенные электромагнитные поля и их влияние на здоровье человека, способы защиты

      На практике электромагнитные поля обычно характеризуются терминами электрическое поле, магнитное поле и электромагнитное поле.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Электрическое поле создается зарядами. Так, например, всем известно статическое электричество — когда наэлектризованный предмет (меховое, шерстяное изделие )внезапно ударяет током при прикосновении к нему.

      Магнитное поле создается при движении электрических зарядов по проводнику — т. е. любой провод, который находится под напряжением, является источником магнитного поля.

      Электромагнитное поле — особая форма материи, при помощи которой осуществляется взаимодействие между зарядами, частицами и полями, и благодаря которому, собственно, и существует тот современный мир, который мы знаем. Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле — а изменяющееся магнитное поле — электрическое. На основе этих явлений  и созданы те приборы, без которых немыслимо представить жизнь современного человека — электротранспорт, микроволновые печи, персональные компьютеры, сотовые телефоны и многое другое.

      Рассмотрим подробнее некоторые источники

       Электротранспорт.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Электропоезда, трамваи и троллейбусы, а теперь уже и гибридные и электромобили являются источниками мощного магнитного поля. В обмотках их электромоторов возникают поля частотами от 0 до 1000 Гц и напряжением до 75 мкТсл. Кроме того, электрический ток, протекающий по проводам, используемым для питания электротранспорта создает магнитное поле, относящееся к следующей категории источников

       Линии электропередач. Для передачи электрического тока на достаточное   расстояние от места его производства (электростанции) до конечного потребителя используются линии электропередач (ЛЭП). Протекающий по их проводам ток генерирует в окружающем пространстве магнитные и электрические поля промышленной частоты, причем, чем выше напряжение ЛЭП, тем на большее расстояние от нее распространяется действие излучение.

       Бытовая электропроводка. Основным источником ЭМП промышленной частоты (50 Гц) в квартирах и офисных зданиях является электропроводка и различные  распределительные устройства (трансформаторы, распределительные щиты, электросчетчики, силовые кабели, полы с электроподогревом).Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Как правило, уровень электромагнитных полей от данных источников не превышает предельно допустимых уровней (ПДУ)

      Бытовая электротехника. Все бытовые приборы, работающие в наших квартирах, являются источниками электромагнитных полей. Наиболее мощными из них являются микроволновые печи, холодильники с системой «дефрост», кондиционеры,   аудиосистемы, телевизоры и др.  Создаваемые ими ЭМП могут значительно различаться по частоте и мощности, и зависеть от вида прибора. Так, например, микроволновая печь — один из самых мощных источников магнитного поля.

      Теле- и радиостанции. Мощнейшим источником электромагнитных полей являются различные теле — и радио- передающие вещательные станции. В России последнее время эта проблема становится особо актуальной, в связи с резким ростом телевизионных каналов и радиопередающих станций. Как правило, излучающие антенны располагают вдали от жилой застройки, ограждая санитарно-защитными зонами.

       Спутниковая связь. Системы спутниковой связи состоят из передатчика и спутника, обычно находящегося на геостационарной орбите.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Так как расстояние между передатчиком и приемником обычно составляет десятки, а то и сотни километров, плотность потока энергии достигает нескольких сотен Вт/кв.м. и создает  ЭМП  высокой плотности на большом расстоянии от передатчика.  Однако передача данных спутниковой связи  осуществляется узконаправленным лучом, и на небольшом расстоянии от антенны, ввиду небольшого рассеивания обычно безопасна.

       Сотовая связь. Сотовая связь во всем мире является наиболее интенсивно развивающейся телекоммуникационной системой.  Количество абонентов сотовых сетей в мире достигло 6,7 млрд человек к 2013 году, а в России  во втором квартале 2013 г — 234,11 млн абонентов (активных сим-карт), превысив таким образом, численность населения (143,7 млн. человек на 1 апреля 2014 г)

       Основными элементами системы сотовой связи являются базовые станции (БС) и мобильные радиотелефоны (МРТ). Базовые станции поддерживают радиосвязь с мобильными радиотелефонами, вследствие чего БС и МРТ являются источниками электромагнитного излучения в УВЧ диапазоне.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Персональные компьютеры. Ввиду всеобщей компьютеризации персональный компьютер в настоящее время стал практически основным источником вредного воздействия на организм человека. Здесь и повышенное напряжение зрения, и вынужденная поза, и стереотипия (мелкие повторяющиеся движения) при наборе текста, и туннельный синдром при длительной работе с мышью. Кроме всего прочего, персональный компьютер, как и всякий бытовой прибор, является источником электромагнитного излучения. Основные элементы, генерирующие  ЭМП промышленной частоты в компьютере — это блок питания (обмотка понижающего трансформатора) и экран (лампы подсветки, блоки управления, напряжение питания). Кроме того, персональные компьютеры обычно снабжают источниками бесперебойного питания, сетевыми фильтрами, различными устройствами ввода- вывода.  Все эти устройства в комплексе создают сложную электромагнитную обстановку на рабочем месте пользователя.

      Биологическое действие электромагнитных полей

          В Советском Союзе начиная с  60-х года ХХ века проводились широкомасштабные исследования влияния электромагнитных полей  на   здоровье человека, был накоплен большой клинический и экспериментальный опыт, на основании которого было предложено новое заболевание «Хроническое поражение микроволнами».Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      В дальнейшем российским учеными было доказано информационное воздействие субпороговых доз облучения на человеческий организм. В результате проведенных многолетних исследований в России  были разработаны очень жесткие нормативы предельно допустимых уровней  (ПДУ) для ЭМП.

      Современная теория по уровню воздействия высоких уровней энергии ЭМП  признает принцип теплового воздействия, т. е. облучаемые ткани как бы разогреваются под действием излучения и наступает необратимое разрушение белковых структур (коагуляция)

           При относительно низком уровне ЭМП (к примеру, для радиочастот выше 300 МГц это менее 1 мВт/см2) принято говорить о нетепловом или информационном характере воздействия на организм. Механизмы действия ЭМП в этом случае еще мало изучены. Многочисленные исследования в области биологического действия ЭМП позволят определить наиболее чувствительные системы организма человека: нервная, иммунная, эндокринная и половая. Эти системы организма являются критическими.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Биологический эффект ЭМП в условиях длительного многолетнего воздействия накапливается, в результате возможно развитие отдаленных последствий, включая дегенеративные процессы центральной нервной системы, рак крови (лейкозы), опухоли мозга, гормональные заболевания. Особо опасны ЭМП могут быть для детей, беременных (эмбрион), людей с заболеваниями центральной нервной, гормональной, сердечно-сосудистой системы, аллергиков, людей с ослабленным иммунитетом.

      Наиболее критичной к воздействию электромагнитного излучения является важнейшая система человека — нервная. На уровне нервной клетки, структур по передачи импульсов, изменения проявляются уже при воздействии ЭМП  малой интенсивности. Ухудшается память, возникают стрессорные реакции, но особую чувствительность к электромагнитным полям имеет  нервная система (эмбриона)

       Так же негативное воздействие электромагнитные поля оказывают на иммунную систему организма человека. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процессы иммуногенеза при облучении ЭМП угнетаются, инфекционные заболевания протекают тяжелее, в организме могут развиваться аутоиммунные процессы.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Также  электромагнитное излучение оказывает влияние на половую функцию, что в основном  связано с воздействием на эндокринную  и нервные системы — многократное облучение гипофиза ведет к снижению выработки им соответсвующих гормонов — и как следствие, угнетению половой функции.

      Отмечен и тератогеннный эффект электромагнитного облучения. При контакте беременных женщин с источниками ЭМП — увеличивается риск преждевременных родов и врожденных уродств плода.

      Защита от электромагнитного излучения.

      Основными принципами защиты населения от ЭМП являются:

      —       защита расстоянием

      —       защита временем

      —       защита инженерно-техническими устройствами

      Рассмотрим их подробнее.

      Защита расстоянием. Данный способ защиты использует такое известное   физическое явление, как ослабление излучения пропорционально квадрату расстояния от источника излучения. Иными словами, чем дальше человек находится  от источника ЭМП — тем безопаснее зона в которой он находится.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Данный принцип используется при выборе санитарно-защитных зон ЛЭП, радиопередающих станций, антенных фидеров и т.д

      Защита временем.  При невозможности вывести человека за пределы зоны облучения необходимо соблюдать время безопасного воздействия. В действующих нормативах  предусмотрена зависимость между интенсивностью плотности потока энергии и временем облучения. Чем выше плотность потока — тем меньше должно быть пребывание людей в зоне облучения

      Инженерно-технические решения. Инженерно-технические защитные мероприятия строятся на использовании явления экранирования электромагнитных полей непосредственно в местах пребывания человека либо на мероприятиях по ограничению эмиссионных параметров источника поля. Например, дверца микроволновой печи обязательно покрыта защитным слоем перфорированного металла, который ослабляет уровень излучения до допустимых пределов.  В жилых помещениях и общественных зданиях могут использоваться экранированные заземляющие решетки, арматура, проложенная в стенах здания, в том числе и специально разработанные строительные материалы.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Таким образом, зная основные способы защиты от ионизирующего излучения, теперь мы может предложить ряд рекомендаций, соблюдение которых позволит снизить до безопасного уровня воздействие ЭМП на нас и наших близких

      При использовании сотовых телефонов:

      • не пользуйтесь сотовым телефоном без необходимости;
      • разговаривайте непрерывно не более 3 – 4 минут;
      • не допускайте, чтобы аппаратом пользовались дети;
      • при покупке выбирайте сотовый телефон с меньшей максимальной мощностью излучения;
      • в автомобиле используйте телефон совместно с системой громкоговорящей связи «hands-free» с внешней антенной, которую лучше всего располагать в геометрическом центре крыши.

      При использовании бытовой техники:

      • приобретая бытовую технику проверяйте в Гигиеническом заключении (сертификате) отметку о соответствии изделия требованиям «Межгосударственных санитарных норм допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях», СанПиН 001-96;
      • используйте технику с меньшей потребляемой мощностью: магнитные поля промышленной частоты будут меньше при прочих равных условиях;
      • к потенциально неблагоприятным источникам магнитного поля промышленной частоты в квартире относятся холодильники с системой “без инея”, некоторые типы “теплых полов”, нагреватели, телевизоры, некоторые системы сигнализации, различного рода зарядные устройства, выпрямители и преобразователи тока – спальное место должно быть на расстоянии не менее 2-х метров от этих предметов если они работают во время Вашего ночного отдыха;
      • при размещении в квартире бытовой техники руководствуйтесь следующими принципами: размещайте бытовые электроприборы по возможности дальше от мест отдыха, не располагайте бытовые электроприборы по- близости и не ставьте их друг на друга.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

       Центр государственного санитарно-эпидемиологического надзора ФКУЗ «МВД России по Приморскому краю»

      Электростатическое поле — обзор

      Принципы работы

      Распределение электростатического поля, заданное уравнением. (2.1) в конечном итоге удовлетворяет уравнению Лапласа и, следовательно, может быть реализовано с помощью системы электродов. В простейшем, но все же очень точном методе определения поля используется пара осесимметричных электродов, форма которых соответствует эквипотенциальным поверхностям, как показано на рис. 2.1. Соответствующие электроды имеют веретенообразную форму, а их профили параметрически выражаются как

      Рис.2.1. Орбитальная ионная ловушка. (1) веретенообразный внутренний электрод, (2) внешний электрод, (3) ионные орбиты, (4) изолирующее кольцо, разделяющее две секции внешнего электрода, (5) тангенциальное отверстие для инжекции ионов. Внизу: осевое и радиальное распределения эффективного потенциала.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      (2.2) z ± r = ± r2 − R22 − Rm2lnrR

      где R м — наибольший радиус электрода (см. Также [7]). Соответственно, внутренний и другие электроды определяются своими максимальными радиусами R 1 и R 2 .

      Внешний электрод заземлен, а внутренний электрод смещен отрицательным напряжением -V c . Такие граничные условия определяют константы C 1 и C 2 , что дает

      (2.3) ϕ = -Vcϕ0zr, ϕ0 = -k02z2 + R22-r22 + Rm2lnrR2

      и k 0 = 4 / (R 1 2 — R 2 2 + 2R м 2 ln (R 2 / R 1 )).

      Наиболее важным свойством квадрологарифмического распределения поля является то, что уравнение движения иона для осевой координаты z

      (2.4) z ‥ + ω2z = 0, ω = Vck0q / m

      отделено от других уравнений относительно радиальной координаты r и угла поворота ψ. Решение выглядит так:

      (2,5) z = Zcosωt + ζ

      , где амплитуда Z и фаза ζ являются константами движения.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Частота осевых колебаний ω зависит исключительно от отношения массы иона к заряду m / q, и поэтому ионы с одинаковым m / q сохранят общую фазу.

      Устойчивость радиального движения достигается за счет сохранения вращательного момента K = r2ψ˙ (на единицу массы), определяемого впрыском.Поскольку K — постоянная движения, угловая координата ψ может быть исключена из уравнения для r, и последняя принимает замкнутый вид

      (2.6) r ‥ = qmUr ′, Urr = Vck02Rm2lnrRm-r22 + mqK22r2

      где U r — радиальная составляющая потенциала, которая включает центробежный член. Радиальный потенциал имеет устойчивую стационарную точку r c , в которой U r ′ = 0 и U r ′ ′> 0. Этот радиус соответствует круговой орбите

      (2.7) r = rcK = rm22-rm44-2mK2qVck012, ψ = ψ0 + Krc2t

      В общем случае, однако, ион вращается вокруг внутреннего электрода по квазиэллиптической орбите, ограниченной между r min и r max обе стороны от r c .Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Эти пределы определяются уравнением U r (r min ) = U r (r max ) = U r , где U r — другая постоянная движения. — сохраненная радиальная энергия.

      Итак, орбита иона определяется тремя сохраняющимися значениями {Z, K, U r } и тремя начальными фазами.Поскольку уравнения. (2.7) и (2.8) устанавливают взаимно однозначное соответствие между {K, U r } и {r min , r max }, в качестве альтернативы можно использовать параметры {Z, r мин. , r макс. } для определения орбиты. В случае, если прямоугольник −Z ≤ z ≤ Z и r min ≤ r ≤ r max полностью лежит в пространстве между электродами, ион может колебаться бесконечно при условии, что не происходит взаимодействия с остаточным газом и другими ионами. .Более подробную информацию можно найти в [7–10].

      Модифицированная реализация квадрологарифмического поля была предложена Дорошенко и Мишариным [11], которые продлили внешний электрод до седловой точки поля r = R m .Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Также возможно создать подобное поле с помощью пакета круглых электродов, как показано в [12].

      Следует отметить, что квадрологарифмическое поле, заданное формулой. (2.3) — не единственный возможный класс полей с аксиальной гармоничностью и радиальным ограничением.Другие соответствующие распределения поля могут быть получены как суперпозиции распределений, таких как уравнение. (2.3) со смещенными осями симметрии и любой регулярный член φ 1 (x, y), удовлетворяющий двумерному уравнению Лапласа, может быть добавлен. Некоторые изощренные примеры были предложены Кёстером [13, 14]. Тем не менее, уравнение. Уравнение (2.3) имеет решающее преимущество простоты и, что более важно, частота колебаний в этом поле невосприимчива почти ко всем видам несоосности сборки, как следует из приведенного ниже теоретического рассмотрения.

      Ввод ионов в орбитальную ловушку затруднен из-за отсутствия прямой видимости области захвата, и единственный способ ввести ионы — через отверстие во внешних электродах.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений В рассматриваемой конструкции ионы инжектируются в орбитальную ловушку по касательной через узкую щель, как показано на рис. 2.1 и 2.2. Преимущественно этот способ инжекции дает ионам начальную амплитуду колебаний Z (i) , приблизительно равную координате z прорези, поэтому любые другие средства возбуждения являются избыточными.Еще одно существенное преимущество возбуждения посредством инжекции вне центра состоит в том, что фазы колебаний всех ионов оказываются предсказуемыми. Это свойство имеет решающее значение для расширения возможностей массового разрешения за счет расширенной обработки сигналов.

      Рис. 2.2. Процесс сжатия ионов после впрыска и обнаружения сигнала. Внизу слева: эффективный радиальный потенциал после впрыска (1) и после увеличения напряжения внутреннего электрода на 20% (2). Стрелками показаны соответствующие диапазоны радиальных колебаний.Внизу справа: ион движется по орбите сразу после инжекции (1) и после адиабатического сжатия (2). Сначала показаны несколько колебаний (3), которые происходят из отверстия для впрыска (4), расположенного на радиусе r Inpr .Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Однако удержать введенный ион на стабильной орбите непросто. Сложность состоит в том, что параметры орбиты r max и Z оказываются слишком большими для долговременной стабильности иона. Действительно, после ряда колебаний координаты r и z неизбежно должны вместе приблизиться к своим крайним значениям, и ион обязательно ударится о внешний электрод.К счастью, на практике это количество колебаний достаточно велико, обеспечивая несколько микросекунд после впрыска, чтобы избежать столкновения, во время которого напряжение на центральном электроде должно постепенно увеличиваться с V c i до V c . Этот процесс называется «сжатием», поскольку он позволяет вывести ионы на меньшие орбиты, расположенные на безопасном расстоянии как от внешних, так и от внутренних электродов.

      Время сжатия включает в себя десятки осевых и радиальных колебаний и, таким образом, может быть описано как адиабатический процесс, который сохраняет два интеграла действия

      (2.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений 8) Iz = ∫-Z + ZVcϕ0 (Z, r) -Vcϕ0 (z, r) dz = πVctkm2Zt2 = const

      и

      (2.9) Ir = ∫rminrmaxUr⁎-Ur (r) dr = const

      связанных соответственно осевым и радиальным колебаниям в медленно меняющейся потенциальной яме. Как видно из уравнения. (2.8) что осевая амплитуда уменьшается с увеличением напряжения центрального электрода как Z = Z (i) (V c (i) / V c ) 1/4 . Радиальная амплитуда △ R = r max — r min также уменьшается, хотя зависимость более сложная из-за неквадратичной формы радиальной ямы (Ур.(2.6). Более заметный эффект на r max происходит из-за уменьшения радиуса круговой орбиты r c , как по формуле. (2.7) предполагает, что для сохраняющегося момента вращения K и V c постепенно увеличиваются. Осевая частота ω увеличивается пропорционально Vc1 / 2 во время сжатия в соответствии с формулой. (2.4).

      На рис. 2.2 показан пример орбиты ионов сразу после инжекции и после завершения сжатия.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений Прямоугольное поперечное сечение образует полый цилиндр, ограничивающий «сжатые» орбиты и надежно отделенный от внешнего электрода.Это не только предотвращает столкновение, но и сводит к минимуму влияние возмущений поля, возникающих из щели для нагнетания.

      Напряжение центрального электрода стабилизируется при сжатии, и ионы дополнительно колеблются с точными осевыми частотами ω, определяемыми V c и отношениями массы к заряду, но не зависящими от орбитальных параметров. Следует особо отметить, что радиальные колебания и вращение не изохронны и их частоты существенно зависят от параметров орбиты r min и r max .Поскольку эти параметры имеют собственный разброс, каждая популяция одних и тех же ионов m / q эффективно сбрасывает фазу в радиальных и угловых координатах и ​​принимает форму кольца, которое колеблется синфазно вдоль оси z.

      Эволюция z-фазы наблюдается во времени с помощью детектора тока изображения. Для этого внешний электрод разделен на две секции, изолированные друг от друга кварцевым кольцом, как показано на рис.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений 2.1. Когда ион с зарядом q находится внутри орбитальной ловушки, на электродах индуцируется заряд противоположного изображения −q, что делает всю систему электрически нейтральной.Распределение заряда зеркала между двумя секциями внешнего электрода и внутреннего электрода зависит от мгновенных координат иона и вызывает небольшую разницу напряжений между секциями, которая зависит от координаты z иона как △ V = qf (z) / C, где C — эффективная электрическая емкость секции, а функция f (z) может быть вычислена с использованием электростатической теоремы взаимности; она оказывается довольно близкой к линейной зависимости. Таким образом можно обнаружить примерно 45–50% от общего заряда зеркала, оставшийся заряд индуцируется на внутреннем электроде.

      Дифференциальный усилитель улавливает разность напряжений между секциями внешних электродов. Весь ансамбль захваченных ионов генерирует сумму сигналов индуцированного тока, распределенных по диапазону частот, которые могут быть восстановлены с помощью преобразования Фурье или других методов обработки.Источник поля электростатического поля: Электростатическое поле источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

      Статическое электрическое поле (0 Гц)

      Характеристики поля и его использование

      Статические электрические поля — это постоянные поля, которые не меняют свою интенсивность или направление с течением времени, в отличие от переменных полей низкой и высокой частоты.Следовательно, статические электрические поля имеют частоту 0 Гц. Они действуют на заряды или заряженные частицы.

      Сила статического электрического поля выражается в вольтах на метр (В / м). Сила естественного электрического поля в атмосфере колеблется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другими источниками статических электрических полей являются разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях при ходьбе по непроводящему ковру могут накапливаться зарядовые потенциалы в несколько киловольт, создавая локальные поля до 500 кВ / м.Линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более. Внутри электропоездов постоянного тока могут быть статические электрические поля до 300 В / м.

      Воздействие статических электрических полей на тело и последствия для здоровья

      Статические электрические поля не проникают в тело человека из-за его высокой проводимости. Электрическое поле индуцирует поверхностный электрический заряд, который, если он достаточно большой, может быть воспринят через его взаимодействие с волосами на теле и через другие явления, такие как искровые разряды (микрошоки).Порог восприятия у людей зависит от различных факторов и может составлять от 10 до 45 кВ / м. Кроме того, очень сильные электрические поля, например, от линий постоянного тока высокого напряжения, могут заряжать частицы в воздухе, в том числе загрязненные. Была выдвинута гипотеза, что заряженные частицы могут лучше поглощаться легкими, чем незаряженные, и, таким образом, повышать подверженность людей загрязнению воздуха. Однако современные знания показывают, что повышенный риск для здоровья от такого заряда частиц очень маловероятен.

      В целом, ограниченное количество лабораторных исследований на животных и людях, в которых изучались эффекты воздействия статических электрических полей, не предоставили доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье.

      Защита

      Единственно установленный эффект для здоровья — возможный стресс в результате длительного воздействия микрошоков. Национальные органы власти могут внедрять программы, которые защищают как население, так и рабочих от любого нежелательного воздействия статического электричества и которые избегают дискомфорта от электрического разряда в тканях тела.

      Генерация интенсивных квазиэлектростатических полей из-за осаждения частиц, ускоренных взаимодействием лазера с веществом петаваттного диапазона

      Описание эксперимента

      Эксперименты проводились с использованием петаваттного лазера Vulcan в лаборатории Резерфорта-Эпплтона, работающего на основной длине волны 1054 нм. , для импульсов длительностью ~ 1 пс и сфокусированной интенсивности на цели свыше 10 20 Вт / см 2 , как показано в Таблице 1.Собственный контраст был> 10 10 в наносекундной шкале времени и> 10 6 за 200 пс до основного импульса, и здесь не использовалась система плазменных зеркал для дальнейшего увеличения контраста. Толщина использованных мишеней из фольги из парилена-N (1,1 г / см 3 массовая плотность) также приведена в таблице 1.

      Датчик электрического поля

      Специальная версия AD-80D (R) D-Dot дифференциала Датчик электрического поля 41 (полоса пропускания 3 дБ до 5,5 ГГц) помещался за параболическим зеркалом (см.рис.2). Он был расположен в координатах (2193 мм, 150 мм, −196 мм) для d DDOT = 2207 мм на общем расстоянии от исходной точки с его чувствительным направлением (перпендикулярно плоскости земли): \ (\ hat {u} = 0,12 \ hat {x} +0,87 \ hat {y} +0,49 \ hat {z} \). Положение и ориентация были установлены для эффективной защиты от первоначального прямого ионизирующего излучения из-за взаимодействия лазера с веществом. Балун BIB-100G (полоса пропускания 250 кГц – 10 ГГц) был подключен к его клеммам. {- 1} \) — операторы преобразования Фурье и обратного преобразования Фурье соответственно.{t} {V} _ {DDOT-B} (\ tau) d \ tau, $$

      (2)

      — это K DDOT-B = 9,5 × 10 12 м -1 с -1 характеристическая константа, которая включает также затухание симметрирующего устройства.

      Фотодиод использовался для контроля момента времени, когда лазерный импульс попадает в цель, и был подключен к каналу того же осциллографа, на котором регистрировался сигнал зонда D-Dot. Электрическая длина кабельных соединений D-Dot и фотодиодов была точно определена.Таким образом, мы смогли проверить с точностью до наносекунды, что сильный сигнал ЭМИ генерировался в момент взаимодействия лазера с мишенью, а затем достиг датчика D-Dot со скоростью света после времени распространения t с .

      Точность измерения

      Разрешающая способность и чувствительность осциллографа ограничивают минимальное измеренное значение V DDOT и, как прямое следствие, точность E n (t), которую мы можем получить из уравнения (2). На рис. 3а время сбора данных намного больше, чем фактический измеренный сигнал, и фактически для t> 600 нс мы получили полезное измерение фонового шума осциллографа.Путем точного анализа этого временного интервала и сравнения с получением нулевых выстрелов, когда лазер был запущен на полную энергию, но фактически не попал в цель, можно было оценить неопределенность двух компонентов (LFC и HFC) восстановленное электрическое поле. В частности, для напряженности поля LFC это N LFC-FIELD ∼ 20 кВ / м, а для соответствующего наклона поля N LFC-SLOPE ∼ 370 В · м −1 нс −1 . Эта неопределенность наклона эквивалентна более низкой наблюдаемой частоте ∼ 1 МГц.Очевидно, что это не проблема для HFC, и была оценена неопределенность его интенсивности: N HFC-FIELD ∼ 10 кВ / м от пика до пика. В таблице 2 представлены значения средних наклонов на разных временных интервалах сигнала на фиг. 3c, которые сравниваются с соответствующим N LFC-SLOPE .

      Таблица 2 Средний наклон для всех интервалов восстановленного электрического поля на рис. 3c и сравнение с N LFC-SLOPE .

      Мы находим очень хорошую реконструкцию крутизны исходного сигнала относительно «шума» во временных интервалах b и d, показанных на рис.3c; в интервале е все еще сохраняется некоторое разумное отношение сигнал / шум. Относительно низкая точность была получена в интервалах c и f из-за небольшого наклона, а также в интервале a, но в данном случае из-за того, что средняя амплитуда была всего в 1,5 раза выше, чем у N LFC-FIELD (см. Рис. 3c).

      Хорошо известно, что точное обнаружение электромагнитных полей проводящими зондами является очень тонкой и сложной задачей в экспериментах с пикосекундными лазерами высокой энергии 33,44,65,66 , особенно когда зонд помещается внутри вакуумной камеры.По этой причине большое внимание было уделено экранированию кабеля, и прицел был помещен в отдельную комнату, на расстоянии 15 м от вакуумной камеры, чтобы подавить прямое воздействие ЭМИ на нее. Возможные токи, наведенные на внешнем проводе коаксиальных кабелей с двойным экраном, эффективно подавлялись за счет применения вокруг кабелей специально подобранной серии тороидов из различных материалов. Мы также использовали второй идентичный кабель для оценки фона. Он проходил по тому же пути, что и к балуну, с нагрузкой 50 Ом на стороне вакуума и подсоединен к другому каналу того же осциллографа; таким образом, мы проверили, что любое возможное воздействие ЭМИ на систему измерения, если оно есть, было намного ниже, чем уровень шума на этом канале для этих захватов.

      Датчик электрического поля D-Dot был размещен за параболическим стеклянным зеркалом толщиной 110 мм и диаметром 650 мм, которое полностью перекрывало его с точки зрения прямой видимости плазмы. Это обеспечило хорошую защиту от прямых потоков частиц и ионизирующего электромагнитного излучения плазмы. Обеспокоенность и забота о возможных артефактах измерения из-за этих излучений является одним из ключевых моментов при выполнении измерений электромагнитного поля с помощью проводящих зондов внутри экспериментальной вакуумной камеры, потому что в противном случае они могут вызвать ложные токовые сигналы на зондах 65,66 .По этой причине здесь был использован дифференциальный датчик D-Dot с двойной структурой, соединенный с эффективным симметрирующим устройством. Как обсуждалось в предыдущем абзаце, согласно спецификациям 41 эта установка гарантирует высокое подавление синфазных помех на частотах до 6 ГГц. Однако подробное обсуждение некоторых возможных вкладов шума дается в следующем разделе.

      Мы выполнили моделирование методом Монте-Карло, используя код SRIM, пробегов протонов в толстом параболическом стеклянном зеркале.Они продемонстрировали, что он способен останавливать протоны до ~ 180 МэВ. Эти энергии намного выше, чем значение 94 МэВ, которое на данный момент является максимальной зарегистрированной энергией протонов для ускорения лазерной материи 67 . Конечно, более тяжелые ионы имеют гораздо меньший пробег в том же материале. Таким образом, парабола была очень хорошей защитой от этих возможных частиц, испускаемых мишенью.

      Мы также выполнили дальнейшее моделирование методом Монте-Карло для электронных пробегов с использованием кода CASINO.В этом случае парабола была способна останавливать электроны с энергией до 60 МэВ. В предыдущих экспериментах TNSA, проведенных с лазером Vulcan, сообщалось о заселенностях электронов с энергиями выше этого порога. В результате мы не можем полностью исключить возможность того, что некоторые релятивистские электроны достигли зонда D-Dot в первые моменты после лазерного импульса. Однако эти электроны преодолеют расстояние от мишени до D-точки примерно за интервал времени t s от лазерного выстрела, и поэтому прибудут намного раньше, чем увеличение поля, измеренное быстрым детектором D-Dot в интервал b на рис.3c. Более того, классический спектр электронов TNSA быстро уменьшается с увеличением энергии, и поэтому только очень ограниченное количество электронов с такой очень высокой энергией должно было достичь зонда. На рис. 3c и 4a в первые десять наносекунд фактически не наблюдалось соответствующего связанного сигнала. Это демонстрирует, что если какой-либо вклад синфазного сигнала имел место, он был эффективно отклонен конфигурацией двойного D-Dot-балуна, создавая незначительный вклад в измерения, который также может быть скрыт одновременным присутствием на одном и том же детекторе в этом интервале размах поля 172 кВ / м высокочастотной составляющей поля (HFC) из-за классического ЭМИ.

      Аналогичные соображения применимы к УФ-рентгеновскому излучению, испускаемому мишенью. Хорошо известно, что в этом типе экспериментов с лазерной материей типичная излучаемая спектральная плотность для этого электромагнитного вклада уменьшается с соответствующей энергией фотонов 1,19,25,26 . По этой причине большая часть этого потока будет поглощена толстой стеклянной параболой, и эти γ-лучи, которые, возможно, будут достаточно энергичными, чтобы пройти через нее, по необходимости будут иметь низкое поперечное сечение взаимодействия с D- Точечный зонд.Они должны были прибыть в D-точку в течение первых нескольких наносекунд после лазерного импульса и, следовательно, в пределах интервала на рис. 3c и в таблице 1: намного раньше, чем увеличение поля в интервале b на рис. 3c. Но, опять же, никакой сигнатуры для возможного эффекта этого типа не было четко видно при измерениях на рис. 3c и 4a, возможно, из-за сильного отклонения датчика от синфазных эффектов и наложения на один и тот же датчик высоких частот. -частотная составляющая поля, обусловленная классическим ЭМИ.

      Вклад фонового излучения может также происходить из-за тормозного излучения ускоренных частиц, ударяющихся о поверхности камеры и / или находящихся внутри нее объектов. Хорошо известно, что наиболее интенсивный вклад должен давать электроны и возрастать с увеличением их энергии 19,25,26 . Это должно было создать фоновый синфазный вклад в камере, в основном из-за быстрых электронов, и, таким образом, присутствовать в течение первых десятков наносекунд после лазерного импульса, так что снова достаточно в пределах интервала, показанного на рис.3c и таблица 1. Но, как и в предыдущих случаях, этого не наблюдалось для рис. 3c и 4a, возможно, из-за современного присутствия ЭМИ на том же детекторе и из-за его высокого подавления синфазных помех.

      Ускоренные частицы могут вызывать вторичную электронную эмиссию при взаимодействии с любой поверхностью в камере 55 . В основном это связано с приходящими электронами. Вторично испускаемые электроны имеют энергию порядка нескольких эВ и соответствующее максимальное производство поступающих электронов с энергиями до нескольких кэВ, поскольку выход вторичных электронов уменьшается с увеличением энергии.Зонд D-Dot находился далеко (минимум 30 см) от любой поверхности, непосредственно пересекаемой частицами, возникающими в результате взаимодействия лазера с веществом. По приблизительным оценкам, электрон с энергией 1 эВ преодолеет расстояние 30 см более чем за 500 нс. Это намного позже, чем временные интервалы a, b, c, d, e, описанные в таблице 2 и показанные на рис. 3c, и может повлиять в таком случае только на интервал f, для которого мы в любом случае имеем точность измерения заливки. (см. Таблицу 2).

      Мы можем сделать вывод, что настоящая кампания обеспечила очень хорошую устойчивость измерения к возможным ложным сигналам ионизирующего излучения и связанным с ними вторичным эффектам, присутствующим в экспериментальной камере для зонда D-Dot, по крайней мере, во время b, c, d, e. -интервалы.

      Спектрометр Томсона

      Спектрометр Томсона TS1 был установлен в 39 см от фольгированной мишени под углом 69 ° по отношению к направлению \ (\ hat {x} \). Магнитное отклонение было выполнено на длине 50 мм с максимальным приложенным статическим магнитным полем 0,54 Тл. Электростатическое отклонение было достигнуто в конструкции с коническим электродом аналогичной высоты с длиной пластины 200 мм, минимальным и максимальным расстоянием между пластинами 2,5 мм. и 20 мм соответственно для приложенной разности потенциалов 6250 В.Пластина для визуализации BAS-TR использовалась в качестве детектора ионов, и соответствующие данные калибровки для протонов 68,69 были использованы для получения спектров, показанных на рис. 4. Для оценки уровня шума обнаружения, часть изображения Пластина была взята как можно ближе к линии параболы протона, и по ней был получен соответствующий уровень шума σ. Произвольный ненулевой уровень обнаружения 2σ здесь рассматривается для получения подходящей точности данных и показан для снимков №16 и №29 на рис. 4b. Нижний энергетический порог ∼ 1 МэВ, наблюдаемый на рис.4б обусловлен геометрическими ограничениями спектрометра. Спектрометры TS2 и TS3 на рис. 2а находились на расстоянии ~ 1,5 м от цели. TS2 находился перпендикулярно цели, а TS3 — под углом ∼10 ° к нормали.

      Моделирование PIC

      Моделирование проводилось с использованием кода CST Particle Studio ® . Этот решатель частиц в ячейках может выполнять полностью самосогласованное моделирование частиц и электромагнитных полей во временной области. Поля рассчитываются методом конечного интегрирования 70 , который применяется к интегральной форме уравнений Максвелла во временной области.В этих симуляциях фокусирующая парабола расположена на расстоянии 1800 мм от точки излучения и моделируется как тонкий слой серебра диаметром 620 мм на стеклянном цилиндре толщиной 110 мм и диаметром 650 мм, установленном на кольцевом держателе из нержавеющей стали толщиной 100 мм. с внешним диаметром 900 мм.

      Эффекты пространственного заряда также были рассчитаны при моделировании вместе с вторичной электронной эмиссией 57 и поверхностным отложением заряда на всех поверхностях. Здесь нас интересует не процесс ускорения во время взаимодействия лазера с веществом, а поля, связанные с поверхностями и создаваемые ими частицами, когда они находятся довольно далеко от зоны излучения.{2}}} \), имеющий максимальное излучение в начальный момент моделирования t = 0, с точкой перегиба τ = 0,5 нс относительно максимума. Временная зависимость сгустка немного изменена по сравнению с классической гауссовой и равна нулю при t = 1 нс. Мы сохранили общий заряд сгустка на низких значениях, чтобы минимизировать эффекты пространственного заряда, вызывая чрезмерное увеличение фактической расходимости пучка по сравнению с настройкой 20 ° и, таким образом, в основном приводя к тому, что меньшее количество частиц пересекает дальнее параболическое зеркало. Эмиссионная точка моделируется как круглая поверхность радиусом 1 мм на плоскости yz, разделенная на 1521 подповерхность с одинаковыми эмиссионными свойствами и однородной плотностью заряда.В частности, плотность составляла σ p = 11,14 × 10 −3 Кл / м 2 для протонов и σ e = 2,39 × 10 −3 Кл / м 2 для электронов. Фактический временной шаг, использованный для стабильного и точного моделирования в нашем случае, составил 4,75 пс. Размеры блока моделирования составляли 2667 мм, 1653 мм и 1557 мм по осям x, y и z соответственно. Для алгоритма адаптивного уточнения сетки на основе λ была установлена ​​максимальная частота 1 ГГц. Двадцать линий на длину волны использовались в качестве общего индикатора, а расстояние локальной сетки было изменено в соответствии с формой и локальным размером смоделированных объектов, всего около 7.5 × 10 6 ячеек сетки. Минимальный и максимальный размер шага ячейки составлял 1 мм и 17,05 мм соответственно.

      В этом экспериментальном моделировании мы имели дело с феноменологическим моделированием параболической зарядки, поэтому была рассмотрена простая геометрическая схема; действительно, как показано на рис. 5c, это могло дать эффективное представление об эволюции поля, наблюдаемой экспериментально, с результатами, довольно хорошо согласующимися с нормализованными лабораторными измерениями. Эта простая модель менее подходит, если мы стремимся воспроизвести фактическое максимальное поле измерений.В этом случае необходимо также описать процесс ускорения и найти правильно подобранную пропорцию множественных электронных и ионных заселенностей с момента эмиссии 1 . Более того, поле возникает не только из-за нанесенного заряда, но также зависит от точной конфигурации установки, которую мы использовали в вакуумной камере. Таким образом, более точное описание поля требует доступа к подробным данным о точной конфигурации, точных механических деталях и материалах опорной конструкции зеркала, а также каждого объекта, присутствующего в экспериментальной камере, особенно тех, которые находятся рядом с параболой.В типичном эксперименте объекты перемещаются от одного кадра к другому, и поэтому модель следует соответствующим образом обновлять. Это очень сложная задача не только из-за замечательной работы по моделированию, необходимой для этого многомасштабного обширного моделирования, особенно для большой экспериментальной камеры, используемой на установке Vulcan, но также из-за требуемых вычислительного времени и ресурсов памяти, и мы думаю, что это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее, чтобы оценить, чего можно ожидать от более реалистичных представлений, мы провели дальнейшее моделирование с более детальными моделями опоры параболы и ее связи с полом экспериментальной камеры.

      Эти симуляции показали, что наличие острых углов или поверхностей на задней стороне держателя параболы, близко к положению D-точки, может локально увеличить поле в этой точке для данного отложенного заряда, как и ожидалось. Возможно увеличение поля на несколько порядков. Хорошо известно, что приращение поля за счет кромки зависит от ее геометрии и используемых материалов, а также от очень точного моделирования окружающих объектов. Действительно, это моделирование показало, что временная эволюция полей в целом существенно не пострадала, потому что процесс в основном вызван осаждением частиц и вторичным излучением на поверхности параболы-зеркала, а не краевыми эффектами.

      Результаты, полученные для этих более точных моделей, показали, что если опорная конструкция параболы замкнута накоротко с помощью хорошего проводника на металлический дно камеры, временной профиль поля и рост поля, наблюдаемые на рис. 5c, выглядят модулированными по амплитуде. колебаниями мегагерцового порядка за счет создания в камере резонирующих модальных полей. Они запускаются током, протекающим через опору параболы из-за заряда, накопленного на посеребренном стекле, аналогично тому, что происходит в классической модели генерации ЭМИ из-за тока нейтрализации через держатель цели 29,32 .Эти колебания имеют амплитуду, зависящую от механических деталей и материалов, используемых для эквивалентного короткого замыкания, а также от общей геометрической конфигурации камеры и каждого объекта, помещенного в нее. Другими словами, на эквивалентном комплексном импедансе, связанном с держателем параболы. Результирующий профиль поля каким-то образом отличается от того, что наблюдается на рисунках 3c, 4a, 5c, даже если огибающая общего сигнала остается в соответствии с результатами моделирования и измерений, наблюдаемыми на этих рисунках.В заключение, эта конфигурация не способна обеспечить подходящее феноменологическое воспроизведение процесса, наблюдаемого экспериментально. Если вместо этого в модели используется соединение с идеальным диэлектриком или, аналогичным образом, соединение с высокой диссипацией, чтобы связать опору параболы с полом, мы наблюдаем, что эти колебания исчезают, и результаты временного профиля в целом очень похожи на те, что видно на рис. 5c. Таким образом, эта конфигурация оказывается более подходящей для феноменологического представления наблюдаемых измерений, и когда рассматриваемый идеальный диэлектрик представляет собой вакуум, мы действительно приходим к простой модели, показанной на рис.5.

      В заключение, простая модель, описанная в этой статье, оказалась подходящей для правильного феноменологического представления процесса, наблюдаемого экспериментально. Для получения более точных результатов могут быть реализованы усовершенствованные конструкции, но сложность этих многомасштабных обширных численных исследований делает их описание, по нашему мнению, выходящим за рамки данной статьи и более подходящим для дальнейшего развития этой работы.

      Калькулятор электрического поля

      С помощью нашего калькулятора электрического поля вы можете вычислить величину электрического поля, созданного на определенном расстоянии от одной точки заряда.В тексте ниже мы сначала попытаемся ответить на простой вопрос: что такое электрическое поле? Затем мы представим уравнение электрического поля для точечного заряда и опишем другие возможные источники электрического поля.

      Что такое электрическое поле?

      Электрическое поле — это поле, которое воздействует на заряды, притягивая или отталкивая их. Более того, каждый отдельный заряд генерирует собственное электрическое поле. Поэтому, например, два электрона с элементарным зарядом e = 1.(-19) C , отталкивайтесь друг от друга. Вы можете проверить наш калькулятор закона Кулона, если хотите количественно определить количество электрического взаимодействия между двумя заряженными частицами.

      Вы, наверное, знаете, что все в природе состоит из атомов, которые состоят из ядра (положительный заряд) и электронов, вращающихся вокруг ядра (отрицательный заряд). Ядро генерирует электрическое поле, которое притягивает и удерживает электроны на их орбитах, как солнце и планеты вокруг него.

      Уравнение электрического поля

      Вы можете оценить электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, с помощью следующего уравнения электрического поля:

      E = k * Q / r²

      где

      • E — величина электрического поля,
      • Q — точка заряда,
      • r — расстояние от точки,
      • k — постоянная Кулона k = 1 / (4 * π * ɛ0) = 8.9 Н * м² / К2 .

      С помощью нашего калькулятора электрического поля вы можете проверить, что величина электрического поля быстро уменьшается по мере увеличения расстояния от точки заряда. Интересен факт, насколько быстро электроны ускоряются в электрическом поле. Вы можете узнать об этом больше из ускорения в калькуляторе электрического поля.

      Электрические и магнитные поля

      Знаете ли вы, что электричество всегда напрямую связано с магнетизмом? Два из четырех хорошо известных уравнений Максвелла гласят:

      • Заряды являются источником электрического поля (это случай нашего калькулятора электрического поля),
      • Магнитное поле, которое изменяется во времени, создает электрическое поле (и, следовательно, электричество — проверьте наш калькулятор закона Фарадея).

      Как электрическое, так и магнитное поля хранят энергию. Подробнее об этом мы писали в нашем калькуляторе плотности энергии полей. Вы тоже должны это проверить!

      электромагнетизм — Что такое «электрическое поле вызывает ток в проводнике (металлической проволоке)»?

      Мне непонятно понятие «электрическое поле вызывает ток в проводнике (металлической проволоке)». Во многих учебниках говорится, что свободные электроны в металлической проволоке перемещаются электрическим полем (электростатическим?), Образуя электрический ток.

      1) Если есть какое-либо электростатическое поле вне проводника, внутри этого проводника это поле равно нулю (= отсутствует).

      2) Ток в проводе появляется только тогда, когда цепь «замкнута», но электростатическое поле существует, даже если у нас есть только один (скажем, только положительный) заряд (положительный штекер силовой батареи), нам не нужны два заряда — источники поля (положительные и отрицательные).

      3). Положительный штекер силовой батареи является источником электростатического поля (заряжается положительно — это как «точечный заряд», создающий электростатическое поле).Если мы подключим к нему металлический стержень (цепь не замкнута), в этом стержне не будет тока, хотя у нас есть электростатическое поле (положительная вилка аккумулятора) и свободные электроны внутри стержня.

      4). Это «загадочное» электростатическое поле, которое перемещает электроны в замкнутом проводе, представляет собой композицию (суперпозицию) двух отдельных полей, созданных двумя «точечными зарядами» — положительной и отрицательной вилками автомобильного аккумулятора. У меня проблемы с визуализацией такого результирующего поля …

      5) Ставлю металлический стержень ровно между плюсовой и минусовой клеммами аккумулятора, но с миллиметровым зазором (стержень не касается обеих клемм).Есть почти такое же электростатическое поле — та же конфигурация = места в пространстве источников поля-зарядов (положительный и отрицательный штекеры), но нет тока, значит, внутри проводника нет электростатического (электрического) поля? Почему появляется при контакте (без разрыва)?

      6) Это обсуждение усугубляет мою путаницу — в сверхпроводнике (идеальном проводнике) ток существует без какого-либо электрического (электростатического?) Поля. А электрическое поле вызывает ток только в неидеальных проводниках (не в сверхпроводниках).

      П.С. А какое «электрическое поле» вызывает ток в проводнике? Электростатический или ЭДС (электромагнитный, когда заряды движутся, хотя изначально свечи-источники поля не перемещаются). А движущиеся электроны внутри стержня создают магнитное поле, верно? Любая движущаяся заряженная частица создает магнитное поле. Но поскольку это магнитное поле не изменяется (поток не изменяется, если ток постоянный), это магнитное поле (флуктуации) не генерирует никакого (вихревого) электрического поля, поэтому не должно быть ЭДС (электромагнитного) поля, только электростатическое. (+ магнитный).

      Подскажите, пожалуйста, что полностью нарушает мое мышление? Я не понимаю физически, как «напряжение батареи создает электрическое поле внутри проводника».

      Здесь дается интересная информация: электростатическое поле внутри проводника объясняется градиентом поверхностного заряда по всей длине металлической проволоки.

      Излучение: электромагнитные поля

      Стандарты

      установлены для защиты нашего здоровья и хорошо известны для многих пищевых добавок, концентраций химических веществ в воде или загрязнителях воздуха.Точно так же существуют полевые стандарты, ограничивающие чрезмерное воздействие уровней электромагнитного поля, присутствующего в нашей окружающей среде.

      Кто определяет руководящие принципы?

      Страны устанавливают свои собственные национальные стандарты воздействия электромагнитных полей. Однако большинство этих национальных стандартов основаны на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает научные результаты со всего мира.Основываясь на подробном обзоре литературы, ICNIRP выпускает руководящие принципы, рекомендующие пределы воздействия. Эти правила периодически пересматриваются и при необходимости обновляются.

      Уровни электромагнитного поля изменяются сложным образом в зависимости от частоты. Было бы трудно понять перечисление каждого значения в каждом стандарте и на каждой частоте. Приведенная ниже таблица представляет собой краткое изложение рекомендаций по воздействию на три области, которые стали предметом общественного беспокойства: электричество в доме, базовые станции мобильной связи и микроволновые печи.Эти рекомендации последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

      Краткое изложение рекомендаций ICNIRP

      Частота

      Европейская частота сети

      Частота базовой станции мобильного телефона

      Частота микроволновой печи

      50 Гц

      50 Гц

      900 МГц

      1,8 ГГц

      2.45 ГГц

      Электрическое поле (В / м)

      Магнитное поле (мкТл)

      Плотность мощности (Вт / м2)

      Плотность мощности (Вт / м260)

      Плотность мощности (Вт / м2)

      Пределы воздействия на людей

      5 000

      100

      4,5

      9

      9045 9045 Пределы профессионального воздействия

      10 000

      500

      22.5

      45

      ICNIRP, Руководящие принципы EMF, Health Physics 74, 494-522 (1998)

      Нормы воздействия могут отличаться более чем в 100 раз между некоторыми странами бывшего Советского Союза и западными странами. страны. В связи с глобализацией торговли и быстрым внедрением телекоммуникаций во всем мире возникла необходимость в универсальных стандартах. Поскольку многие страны бывшего Советского Союза сейчас рассматривают новые стандарты, ВОЗ недавно выступила с инициативой по гармонизации руководящих принципов воздействия во всем мире.Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитному полю.

      На чем основаны руководящие принципы?

      Важно отметить, что нормативный предел не является точным разграничением между безопасностью и опасностью. Не существует единого уровня, выше которого воздействие становится опасным для здоровья; вместо этого потенциальный риск для здоровья человека постепенно увеличивается с увеличением уровней воздействия. Руководства указывают, что согласно научным данным воздействие электромагнитного поля ниже заданного порога является безопасным.Однако из этого автоматически не следует, что воздействие выше указанного предела является вредным.

      Тем не менее, чтобы установить пределы воздействия, научные исследования должны определить пороговый уровень, при котором проявляются первые последствия для здоровья. Поскольку людей нельзя использовать для экспериментов, руководящие принципы критически полагаются на исследования на животных. Незначительные изменения в поведении животных на низких уровнях часто предшествуют более резким изменениям здоровья на более высоких уровнях. Аномальное поведение является очень чувствительным индикатором биологической реакции и было выбрано как наименьшее наблюдаемое неблагоприятное воздействие на здоровье.Руководящие принципы рекомендуют предотвращать уровни воздействия электромагнитного поля, при которых изменения поведения становятся заметными.

      Этот пороговый уровень поведения не равен нормативному пределу. ICNIRP применяет коэффициент безопасности 10 для получения пределов профессионального воздействия и коэффициент 50 для получения нормативного значения для населения. Поэтому, например, в радиочастотном и микроволновом диапазонах частот максимальные уровни, которые могут возникнуть в окружающей среде или в вашем доме, по крайней мере в 50 раз ниже порогового уровня, при котором становятся очевидными первые изменения поведения животных.

      Почему коэффициент безопасности для рекомендаций по профессиональному облучению ниже, чем для населения?

      Население, подвергающееся профессиональному облучению, состоит из взрослых, которые обычно находятся в известных условиях электромагнитного поля. Эти рабочие обучены осознавать потенциальный риск и принимать соответствующие меры предосторожности. Напротив, широкая общественность состоит из людей всех возрастов и разного состояния здоровья. Во многих случаях они не знают о своем воздействии ЭМП. Более того, нельзя ожидать, что отдельные представители общественности примут меры для сведения к минимуму или предотвращения воздействия.Это основные соображения для более строгих ограничений воздействия для населения в целом, чем для населения, подвергающегося профессиональному облучению.

      Как мы видели ранее, низкочастотные электромагнитные поля индуцируют токи в человеческом теле (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Но различные биохимические реакции внутри самого тела также генерируют токи. Клетки или ткани не смогут обнаружить какие-либо индуцированные токи ниже этого фонового уровня.Следовательно, при низких частотах нормы воздействия гарантируют, что уровень токов, индуцированных электромагнитными полями, ниже, чем у естественных токов тела.

      Основным эффектом радиочастотной энергии является нагрев тканей. Следовательно, нормы воздействия радиочастотных полей и микроволн установлены для предотвращения последствий для здоровья, вызванных локальным нагревом или нагреванием всего тела (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Соблюдение указаний гарантирует, что тепловое воздействие достаточно мало, чтобы не причинить вреда.

      Какие руководящие принципы не могут учесть

      В настоящее время предположения о потенциальных долгосрочных последствиях для здоровья не могут служить основой для выпуска руководств или стандартов. Суммируя результаты всех научных исследований, общий вес доказательств не указывает на то, что электромагнитные поля вызывают долгосрочные последствия для здоровья, такие как рак. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основе последних научных знаний для защиты от известных последствий для здоровья.

      Руководящие принципы установлены для среднего населения и не могут напрямую отвечать требованиям меньшинства потенциально более чувствительных людей. Например, директивы по загрязнению воздуха не основаны на особых потребностях астматиков. Точно так же правила электромагнитного поля не предназначены для защиты людей от вмешательства в имплантированные медицинские электронные устройства, такие как кардиостимуляторы. Вместо этого следует посоветоваться с производителями и клиницистом, имплантирующим устройство, по поводу ситуаций облучения, которых следует избегать.

      Каковы типичные максимальные уровни воздействия дома и в окружающей среде?

      Некоторая практическая информация поможет вам соотноситься с международными нормативными значениями, указанными выше. В следующей таблице вы найдете наиболее распространенные источники электромагнитных полей. Все значения являются максимальными уровнями публичного воздействия — ваша собственная подверженность, вероятно, будет намного ниже. Для более детального изучения уровней поля вокруг отдельных электроприборов см. Раздел Типичные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде.

      Источник

      Типичное максимальное воздействие на людей

      Электрическое поле (В / м)

      Плотность магнитного потока (мкТл)

      0 909 459 904

      70 (магнитное поле Земли)

      )

      Электропитание от сети

      (в домах не вблизи линий электропередач)

      100

      0,2 ​​

      Электропитание от сети

      (под большими линиями электропередач

      10 000

      20

      Электропоезда и трамваи

      300

      50

      Телевизионные и компьютерные экраны

      52 (на рабочем месте оператора)

      904

      0.7

      Типичное максимальное облучение населения (Вт / м2)

      Телевизионные и радиопередатчики

      0,1

      Базовые станции мобильной связи

      60

      0,2 ​​

      Микроволновые печи

      0,5

      Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

      Как рекомендации претворяются в жизнь и кто их проверяет?

      Ответственность за исследование полей вокруг линий электропередач, базовых станций мобильных телефонов или любых других источников, доступных для широкой публики, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти.Они должны обеспечить соблюдение правил.

      В случае электронных устройств производитель несет ответственность за соблюдение стандартных ограничений. Однако, как мы видели выше, природа большинства устройств гарантирует, что излучаемые поля значительно ниже пороговых значений. Кроме того, многие ассоциации потребителей регулярно проводят тесты. В случае возникновения какой-либо особой озабоченности или беспокойства свяжитесь напрямую с производителем или обратитесь в местный орган здравоохранения.

      Вредны ли воздействия, превышающие нормы?

      Совершенно безопасно съесть банку с клубничным вареньем до истечения срока годности, но если вы потребляете варенье позже, производитель не может гарантировать хорошее качество еды. Тем не менее, даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности варенье, как правило, безопасно есть. Точно так же директивы по электромагнитному полю гарантируют, что в пределах заданного предела воздействия не произойдет никаких известных неблагоприятных последствий для здоровья. Большой коэффициент безопасности применяется к уровню, который, как известно, вызывает последствия для здоровья.Следовательно, даже если вы испытываете напряженность поля в несколько раз выше заданного предельного значения, ваше воздействие все равно будет в пределах этого запаса прочности.

      В повседневных ситуациях большинство людей не испытывают электромагнитных полей, превышающих нормативные пределы. Типичные экспозиции намного ниже этих значений. Однако бывают случаи, когда воздействие на человека на короткий период может приближаться к нормативам или даже превышать их. Согласно ICNIRP, радиочастотное и микроволновое воздействие следует усреднять по времени для устранения кумулятивных эффектов.В рекомендациях указан период усреднения по времени в шесть минут, и допустимы краткосрочные воздействия сверх установленных пределов.

      Напротив, воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей в руководствах не усредняется по времени. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, в игру вступает еще один фактор, называемый связью. Связь относится к взаимодействию между электрическим и магнитным полями и обнаженным телом. Это зависит от размера и формы тела, типа ткани и ориентации тела относительно поля.Рекомендации должны быть консервативными: ICNIRP всегда предполагает максимальную связь поля с экспонируемым человеком. Таким образом, рекомендуемые пределы обеспечивают максимальную защиту. Например, даже несмотря на то, что значения магнитного поля для фенов и электробритв превышают рекомендуемые значения, чрезвычайно слабая связь между полем и головкой предотвращает индукцию электрических токов, которые могут превышать рекомендуемые пределы.

      Ключевые моменты

      • ICNIRP издает руководящие принципы на основе современных научных знаний.Большинство стран опираются на эти международные руководящие принципы для своих собственных национальных стандартов.
      • Стандарты для низкочастотных электромагнитных полей гарантируют, что наведенные электрические токи ниже нормального уровня фоновых токов внутри тела. Стандарты для радиочастоты и микроволн предотвращают воздействие на здоровье, вызванное локальным нагреванием или нагреванием всего тела.
      • Рекомендации не защищают от потенциальных помех электромедицинским устройствам.
      • Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно намного ниже рекомендуемых пределов.
      • Из-за большого коэффициента безопасности воздействие, превышающее нормативные пределы, не обязательно вредно для здоровья. Кроме того, усреднение по времени для высокочастотных полей и предположение о максимальной связи для низкочастотных полей вносят дополнительный запас прочности.

      электрических полей | Протокол

      Электрическое поле имеет фундаментальное значение для понимания электричества и взаимодействия заряд-заряд и тесно связано с такими важными величинами, как электрический потенциал.

      Любой заряженный объект генерирует электрическое поле. Величина поля зависит от количества заряда на объекте и расстояния от объекта, на котором измеряется поле. Эти поля также действуют на другие близлежащие заряды или материалы, вызывая интересные явления.

      В этом видео мы сначала вернемся к основным концепциям, связанным с электрическими полями, а затем проиллюстрируем эксперимент, который помогает в изучении электрических полей и сил, которые воздействуют на заряды и материалы в поле.Наконец, мы увидим несколько приложений, которые используют электрические поля в своих интересах.

      Как упоминалось ранее, заряженный объект создает электрическое поле в окружающем пространстве. Используя закон Гаусса, можно продемонстрировать, что величина электрического поля линейно пропорциональна заряду источника Q и обратно пропорциональна квадрату расстояния r от заряда источника; а «k» — постоянная Кулона. Таким образом, удвоение заряда источника приводит к удвоению напряженности поля.А удвоение расстояния измерения снижает напряженность поля в четыре раза.

      Электрическое поле, создаваемое заряженным объектом, можно визуализировать с помощью фиктивных линий, называемых «линиями электрического поля». Эти линии представляют собой набор стрелок, которые помогают визуализировать величину и направление поля. Обычно силовые линии направлены от положительного заряда источника в сторону отрицательного заряда источника.

      Общее количество линий поля, создаваемых заряженным объектом, представляет собой величину заряда, в то время как плотность линий в конкретном месте поля обозначает величину в этом месте.Поэтому линии плотно упакованы около заряженной сферы, а на большем расстоянии от источника они более разнесены.

      Направление электрического поля неизвестного источника заряда определяется путем помещения тестового заряда в непосредственной близости от источника заряда и наблюдения за тем, притягивается ли тестовый заряд или отталкивается ли он от источника заряда. ВНИМАНИЕ !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

      Величина этой силы «F» определяется законом Кулона, который гласит, что сила линейно пропорциональна напряженности электрического поля и количеству заряда на тестовом заряде.Для направления: если тестовый заряд положительный, направление силы на тестовый заряд такое же, как и у электрического поля. Однако, если пробный заряд отрицательный, направление силы противоположно направлению электрического поля исходного заряда.

      Электрические поля также могут создавать разность электрических потенциалов или падение напряжения вдоль направления поля. Этот феномен подробно обсуждается в видеоролике «Электрический потенциал» этой подборки. И наоборот, важно отметить, что электрические поля также создаются приложением разных напряжений к двум разделенным проводникам.В этом случае направление поля указывает от более высокого напряжения к более низкому напряжению.

      Помимо заряженных объектов, электрические поля также влияют на нейтральные по заряду материалы, такие как медная проволока. Все нейтральные материалы состоят из огромного и равного количества положительных и отрицательных зарядов. Следовательно, электрические поля действуют на каждый из этих зарядов; что приводит к перемещению больших скоплений заряда в материале. Это может привести к эффективному разделению положительных и отрицательных зарядов и называется «поляризацией».

      В следующем разделе мы увидим, как визуализировать силовые линии электрического поля, создаваемого приложением напряжений к двум различным конфигурациям электродов. А в следующем разделе мы увидим эффект электрических сил и явление поляризации, используя бумагу, мех, акриловый стержень и банку из-под газировки.

      Демонстрация состоит из электростатического генератора, такого как портативный Static Genecon или генератор Ван дер Граффа, пары электродов, расположенных в конфигурации концентрического круга, пары электродов, расположенных параллельно друг другу, и чашки Петри или наблюдения бак.

      Резервуар для наблюдения заполнен вязким маслом, например касторовым маслом, и примерно половиной грамма поляризуемого порошка, такого как семена манной крупы.

      Загрузите резервуар для наблюдения, заполненный масляной и порошковой эмульсией, в держатель. Затем установите пластину с параллельной конфигурацией электродов на держатель. Используя кабели, подключите электроды к отрицательной и положительной клеммам электростатического генератора.

      Проверните рукоятку генератора как минимум на 5 полных оборотов, создавая разность потенциалов между двумя проводниками и создавая электрическое поле.Поскольку добавленный порошок является поляризуемым, частички порошка постепенно начнут совпадать с линиями электрического поля.

      Затем, чтобы нейтрализовать заряды, непосредственно закоротите положительную и отрицательную клеммы, подключив кабель между клеммами. Подождав несколько секунд, пока заряд рассеется, отсоедините перекидной кабель от клемм. Затем снимите электродную пластину с держателя.

      Теперь установите пластину с электродом в форме концентрического круга на держатель.Смешайте масло и поляризуемый порошок в резервуаре для наблюдений, осторожно свернув набор.

      Включите генератор и проверните его как минимум на 5 полных оборотов, чтобы создать электрическое поле между двумя проводящими кольцами. Порошок между кольцами образует излучающие линии, указывающие на то, что силовые линии электрического поля в этой области похожи на силовые линии точечного заряда, расположенного в центре колец. Напротив, порошок внутри внутреннего круга не имеет заметного выравнивания, указывающего на отсутствие заметного электрического поля в этой области.

      Теперь давайте обсудим эксперимент, демонстрирующий поляризацию и силы электрического поля. Обычно в этой демонстрации используются пустая банка из-под содовой, акриловый стержень, кусок меха, достаточно большой, чтобы его можно было обернуть вокруг стержня, и полоска бумаги.

      Положите пустую банку из-под содовой набок, чтобы она могла свободно катиться. Оберните кусок меха вокруг стержня и потрите его встык не менее 10 раз. Натирая стержень, вы физически переносите электроны от меха на стержень и делаете стержень отрицательно заряженным, позволяя ему генерировать электрическое поле, необходимое для индукции поляризации.

      Поднесите заряженный стержень к пустой банке из-под газировки и наблюдайте за силами притяжения, действующими на банку, когда она начинает катиться к стержню. Это связано с тем, что электрическое поле стержня вызывает поляризацию банки с газировкой. Заряды, противоположные по знаку, по знаку на стержне, приближаются к стержню, а заряды того же знака отталкиваются от стержня. Это приводит к тому, что стержень оказывает на банку силы притяжения и отталкивания. Поскольку противоположные заряды находятся ближе к стержню, они испытывают более сильную силу, которая создает чистую силу притяжения к стержню.

      Затем поднесите заряженный стержень к полосе бумаги и посмотрите, как бумага изгибается по направлению к стержню. Привлекательное поведение является результатом того же эффекта наведенной поляризации, который заставил банку с газировкой катиться к стержню. Интересно, что, несмотря на то, что он весит намного меньше банки с газировкой, общее движение бумаги сравнительно невелико. Это связано с изолирующими свойствами бумаги по сравнению с проводящими свойствами банки, что приводит к гораздо более слабой поляризации.

      Электрические поля распространены повсеместно, поскольку они существуют везде, где есть заряженные объекты или разность напряжений.

      Электричество, или электрический ток, является результатом электрических силовых полей, проталкивающих заряд по проводам с высокой проводимостью. В больших масштабах это включает в себя направление электричества от электростанций к жилым и коммерческим зданиям. В меньшем масштабе прохождение электрического тока через цепь имеет основополагающее значение для работы любого электронного устройства, такого как светодиод, электрическая лампочка, вентилятор или компьютер.

      Масс-спектрометрия использует электрические поля для определения химического состава образца.В этом оборудовании сначала ионизированные молекулы генерируются приложением сильных сил, таких как электронный луч, плазма или лазеры. Эти заряженные молекулы затем проходят через набор переменных электрических полей. Поле оказывает на молекулы электрическую силу, которая изменяет их траекторию, что приводит к эффективному разделению.

      Вы только что посмотрели введение JoVE в Electric Fields. Теперь вы должны понять принципы, которые определяют величину и направление электрических полей, как визуализировать силовые линии электрического поля и как поляризация может быть вызвана электрическим полем.