전기장
출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN
전기장은 주변 공간에서 충전된 물체(소스 충전이라고 함)에 의해 생성되며, 다른 충전된 물체(시험 충전이라고 함)에 전력을 발휘하는 능력을 나타냅니다. 공간의 지정된 지점에서…
1. 전기 필드 라인을 시각화
- 정전기 발생기(예: 핸드헬드 정적 Genecon 또는 반 데르 그라프 생성기), 동심 원 구성에 배치된 전극 한 쌍, 서로 평행하게 배열된 전극 쌍을 가져옵니다.
- 페트리 접시 나 전망탱크를 얻고, 오일(예: 캐스터 오일)으로 채우고, 기름에 전기/편광 분말(예: 세몰리나 씨)을 추가합니다.
- 병렬 전극 구성으로 전극을 관측탱크 홀더에 적재한다. 그림 1과같이 각각 정전기 발전기의 "−"(접지) 및 "+" 단자에 두 전극을 연결합니다. 클램프가 있는 케이블로 연결할 수 있습니다.
그림 1: 전기 발전기에 연결된 두 개의 구리 와이어의 회로도를 보여주는 다이어그램, 전선의 다른 끝 (기름에 담근)은 병렬 전극 의 쌍에 연결됩니다.
- "+" 단말과 연결된 전극에 양전하를 가하는 발전기의 크랭크를 돌립니다. 적어도 5 전체 회전을 합니다. 분말의 동작을 관찰합니다.
- 케이블을 사용하여 "−"와 "+" 단단을 직접 짧게 하여 충전을 중화시합니다. 단자에서 전극을 분리합니다.
- 다음으로, 동심 원 전극 구성을 홀더에 적재하고 도 2에도시된 바와 같이 발전기의 단말과 전극을 다시 연결한다. 접시에 기름을 저어 분말을 무작위로.
그림 2: 전기 발전기에 연결된 두 개의 구리 와이어의 회로도를 보여주는 다이어그램, 전선의 다른 끝 (기름에 담근)은 각각 내부 고리와 외부 고리모양의 전극 쌍에 연결됩니다.
- 발전기(최소 5회 회전)를 크랭크하고 전극을 충전하고 접시에 있는 분말의 동작을 관찰한다.
2. 전기장의 효과
- 빈 소다 캔을 얻고 테이블에 (자유롭게 굴릴 수 있도록) 측면에 휴식
- 아크릴 막대를 가져옵니다. 그것을 충전 모피로 문질러.
- 막대를 빈 탄산음료 캔 가까이에 가져와 소다 캔의 반응을 관찰합니다.
- 작은 종이 스트립을 찢어 충전 된 막대에 가져와 그 행동을 관찰하십시오.
전기장은 전기와 전하의 상호 작용을 이해하는 데 기본이 되며 전위와 같은 중요한 양과 밀접한 관련이 있습니다.
충전된 물체는 전기장을 생성합니다. 자기장의 크기는 물체에 대한 전하량과 자기장이 측정되는 물체로부터의 거리에 따라 달라집니다. 이 자기장은 또한 근처의 다른 전하나 물질에 힘을 가하여 흥미로운 현상을 일으킵니다.
이 비디오에서는 먼저 전기장과 관련된 기본 개념을 다시 살펴본 다음 전기장과 전기장의 전하와 물질에 영향을 미치는 힘을 연구하는 데 도움이 되는 실험을 설명합니다. 마지막으로, 전기장을 유리하게 사용하는 몇 가지 응용 프로그램을 볼 것입니다.
앞서 언급했듯이 대전된 물체는 주변 공간에 전기장을 생성합니다. 가우스의 법칙을 사용하여 전기장의 크기가 소스 전하 'Q'에 선형적으로 비례하고 소스 전하로부터의 거리 'r'의 제곱에 반비례한다는 것을 입증 할 수 있습니다. 'k'는 쿨롱 상수입니다. 따라서 소스 전하의 양을 두 배로 늘리면 전계 강도가 두 배가 됩니다. 반면에 측정 거리를 두 배로 늘리면 자기장 강도가 4배 감소합니다.
대전된 물체에 의해 생성된 전기장은 "전기장 선"이라고 하는 가상의 선을 사용하여 시각화할 수 있습니다. 이 선은 필드의 크기와 방향을 모두 시각화하는 데 도움이 되도록 그려진 화살표 모음입니다. 일반적으로 자기장 선은 양이온 전하에서 음의 소스 전하로 향합니다.
하전된 물체에 의해 생성된 자기장 선의 총 수는 전하의 양을 나타내고, 장의 특정 위치에 있는 선의 밀도는 해당 위치의 크기를 나타냅니다. 따라서 선은 전하를 띤 구 근처에 밀집되어 있는 반면, 소스에서 더 멀리 떨어져 있습니다.
알 수 없는 소스 전하의 전기장 방향은 소스 전하 근처에 테스트 전하를 배치하고 테스트 전하가 소스 전하로 끌리거나 소스 전하에서 멀어지는지 관찰함으로써 결정됩니다.
이 힘의 크기 'F'는 힘이 전기장 강도와 테스트 전하의 전하량에 선형적으로 비례한다는 쿨롱의 법칙에 의해 주어집니다. 방향의 경우: 테스트 전하가 양수인 경우 테스트 전하에 가해지는 힘의 방향은 전기장과 동일합니다. 그러나 테스트 전하가 음수인 경우 힘의 방향은 소스 전하의 전기장의 방향과 반대입니다.
전기장은 또한 자기장의 방향을 따라 전위차 또는 전압 강하를 생성할 수 있습니다. 이 현상은 이 컬렉션의 Electric Potential 비디오에서 자세히 논의됩니다. 반대로, 전기장은 두 개의 분리된 도체에 서로 다른 전압을 가하여 생성된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이 경우 자기장 방향은 더 높은 전압에서 더 낮은 전압으로 가리킵니다.
대전된 물체 외에도 전기장은 구리선과 같이 전하 중성인 재료에도 영향을 미칩니다. 모든 중성 물질은 거대하고 동일한 양의 양전하와 음전하로 구성됩니다. 따라서 전기장은 이러한 각 전하에 힘을 가합니다. 그 결과 재료에서 많은 전하 컬렉션이 변위됩니다. 이것은 양전하와 음전하를 효과적으로 분리할 수 있으며 이를 "편광"이라고 합니다.
다음 섹션에서는 두 개의 서로 다른 전극 구성에 전압을 적용하여 생성된 전기장의 자기장 라인을 시각화하는 방법을 살펴보겠습니다. 그리고 다음 섹션에서는 종이, 모피, 아크릴 막대, 소다 캔을 사용하여 전기력의 영향과 편광 현상을 볼 것입니다.
이 시연은 휴대용 Static Genecon 또는 van der Graff 발전기와 같은 정전기 발생기, 동심원 구성으로 배열된 한 쌍의 전극, 서로 평행하게 배열된 한 쌍의 전극, 페트리 접시 또는 관찰 탱크로 구성됩니다.
관측 탱크는 피마자 기름과 같은 점성 오일과 양질의 거친 밀가루 씨앗과 같은 약 반 그램의 편광 분말로 채워져 있습니다.
오일과 파우더 에멀젼으로 채워진 관찰 탱크를 홀더에 넣습니다. 다음으로, 병렬 전극 구성이 있는 플레이트를 홀더에 장착합니다. 케이블을 사용하여 전극을 정전기 발생기의 음극 및 양극 단자에 연결합니다.
발전기의 크랭크를 완전히 5바퀴 이상 돌려 두 도체 사이에 전위차를 생성하고 전기장을 설정합니다. 첨가된 분말은 편광이 가능하기 때문에 분말 얼룩이 전기장 라인과 천천히 정렬되기 시작합니다.
다음으로, 전하를 중화하려면 단자 사이에 케이블을 연결하여 양극 단자와 음극 단자를 직접 단락시키십시오. 전하가 소멸될 때까지 몇 초 동안 기다린 후 단자에서 단락 케이블을 분리하십시오. 그런 다음 홀더에서 전극판을 분리합니다.
이제 동심원 전극 구성이 있는 플레이트를 홀더에 장착합니다. 설정을 조심스럽게 굴려 관찰 탱크에 오일과 편광 분말을 혼합합니다.
발전기를 켜고 최소 5바퀴 완전히 돌려 두 도체 링 사이에 전기장을 생성합니다. 고리 사이의 분말은 방사선을 형성하여 이 영역의 전기장 선이 고리 중앙에 위치한 점 전하의 전기장 선과 유사함을 나타냅니다. 대조적으로, 내부 원 내의 분말은 눈에 띄는 정렬이 없어 이 영역에 눈에 띄는 전기장이 존재하지 않음을 나타냅니다.
이제 편광과 전기장 힘을 보여주는 실험에 대해 논의해 보겠습니다. 이 시연에서 사용되는 일반적인 품목은 빈 음료수 캔, 아크릴 막대, 막대를 감쌀 수 있을 만큼 큰 털 조각, 종이 조각입니다.
빈 음료수 캔을 옆으로 눕혀 자유롭게 굴러갈 수 있도록 합니다. 털 조각을 막대에 감고 끝에서 끝까지 최소 10회 문지릅니다. 막대를 문지르면 털에서 막대로 전자를 물리적으로 전달하고 막대를 음전하를 띠게 하여 편광을 유도하는 데 필요한 전기장을 생성할 수 있습니다.
충전된 막대를 빈 음료수 캔에 가까이 가져가 막대를 향해 굴러가기 시작할 때 캔에 가해지는 인력을 관찰하십시오. 이것은 막대의 전기장이 소다 캔에 분극을 유발하기 때문입니다. 막대에 있는 것과 반대쪽 기호의 전하는 막대에 더 가깝게 가져오고 동일한 기호의 전하는 막대에서 밀어냅니다. 그 결과 막대가 캔에 인력과 반발력을 모두 가하게 됩니다. 반대 전하가 막대에 더 가깝기 때문에 이들은 더 강한 힘을 경험하여 막대를 향해 순 인력을 생성합니다.
다음으로, 충전된 막대를 종이 조각에 가까이 가져가 종이가 막대 쪽으로 구부러지는 것을 관찰합니다. 매력적인 행동은 소다 캔이 막대쪽으로 굴러가도록 만든 것과 동일한 유도 분극 효과의 결과입니다. 흥미롭게도, 소다 캔보다 무게가 훨씬 가볍음에도 불구하고 종이의 전체 움직임은 비교적 작습니다. 이것은 캔의 전도성 특성에 비해 종이의 절연 특성 때문이며, 이는 훨씬 더 약한 분극으로 이어집니다.
전기장은 전하를 띤 물체나 전압 차이가 있는 모든 곳에 존재하기 때문에 어디에나 존재합니다.
전기 또는 전류는 전도성이 높은 전선을 통해 전하를 밀어내는 전기력장의 결과입니다. 대규모로 여기에는 발전소에서 주거용 및 상업용 건물로 전기를 라우팅하는 것이 포함됩니다. 더 작은 규모에서는 회로를 통한 전류의 통과는 LED, 전구, 팬 또는 컴퓨터와 같은 전자 장치를 작동하는 데 필수적입니다.
질량 분석기는 전기장을 사용하여 샘플의 화학 물질 함량을 결정합니다. 이 장비에서 먼저 이온화된 분자는 전자빔, 플라즈마 또는 레이저와 같은 강한 힘을 가하여 생성됩니다. 그런 다음 이러한 하전 분자는 일련의 교대 전기장을 통과합니다. 자기장은 분자에 전기력을 가하여 궤도를 변경하여 효과적인 분리로 이어집니다.
방금 JoVE의 Electric Fields에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 전기장의 크기와 방향을 지배하는 원리, 전기장 선을 시각화하는 방법, 전기장에 의해 분극이 유도될 수 있는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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Q1: How does the magnitude of an electric field depend on charge and distance?
The electric field magnitude is linearly proportional to the source charge and inversely proportional to the square of the distance from it. Doubling the source charge doubles the field strength, while doubling the distance reduces it by four times. This relationship is expressed through Coulomb's constant and forms the foundation for understanding charge interactions.
Q2: What do electric field lines represent and how are they drawn?
Electric field lines are fictitious arrows that visualize both magnitude and direction of electric fields. Lines radiate outward from positive charges and point toward negative charges. The density of lines indicates field strength at that location, with closely packed lines near the charge and more spread-out lines at greater distances.
Q3: How can you determine the direction of an electric field from an unknown source charge?
Place a test charge near the source charge and observe whether it is attracted or repelled. If the test charge is positive, the field direction matches the force direction. If the test charge is negative, the field direction is opposite to the force. This method reveals the source charge's polarity and field orientation.
Q4: What is polarization and how does an electric field cause it?
Polarization occurs when an electric field displaces positive and negative charges within a neutral material, creating an effective charge separation. The field exerts forces on both positive and negative charges in opposite directions. Since opposite charges are closer to the field source, they experience stronger attraction, resulting in net attractive forces on the material.
Q5: How is the relationship between electric fields and voltage established?
Electric fields produce electric potential differences, or voltage drops, along the field direction. Conversely, applying different voltages to separated conductors generates electric fields. The field direction points from higher voltage to lower voltage, establishing a fundamental connection between these two electrical quantities.
Q6: What are practical applications of electric fields in technology?
Electric fields drive electrical current through conductive wires, enabling power distribution and electronic devices like LEDs and computers. Mass spectrometry uses alternating electric fields to separate ionized molecules by altering their trajectories, allowing determination of chemical composition. These applications demonstrate how electric fields are fundamental to modern technology.
Q7: Why does a charged rod attract a soda can more strongly than paper?
Both materials experience polarization from the charged rod's electric field, but the soda can's conductive nature allows stronger charge displacement than paper's insulating properties. The can's greater conductivity enables more effective charge separation, producing stronger net attractive forces. Paper's insulating nature limits polarization, resulting in comparatively weaker movement.