Pola elektryczne

Pole elektryczne ma fundamentalne znaczenie dla zrozumienia interakcji elektryczność i ładunek-ładunek i jest ściśle związane z ważnymi wielkościami, takimi jak potencjał elektryczny.

Każdy naładowany przedmiot wytwarza pole elektryczne. Wielkość pola zależy od ilości ładunku na obiekcie oraz odległości od obiektu, w którym pole jest mierzone. Pola te wywierają również oddziaływanie na inne pobliskie ładunki lub materiały powodujące interesujące zjawiska.

W tym filmie najpierw powrócimy do podstawowych pojęć związanych z polami elektrycznymi, a następnie zilustrujemy eksperyment, który pomaga w badaniu pól elektrycznych i sił oddziałujących na ładunki i materiały w polu. Na koniec zobaczymy kilka zastosowań, które wykorzystują pola elektryczne na swoją korzyść.

Jak wspomniano wcześniej, naładowany obiekt wytwarza pole elektryczne w otaczającej przestrzeni. Korzystając z prawa Gaussa, można wykazać, że wielkość pola elektrycznego jest liniowo proporcjonalna do ładunku źródłowego "Q" i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości "r" od ładunku źródłowego; a 'k' jest stałą Coulomba. W ten sposób podwojenie ilości ładunku źródłowego powoduje podwojenie natężenia pola. Natomiast podwojenie odległości pomiarowej zmniejsza natężenie pola czterokrotnie.

Pole elektryczne wytwarzane przez naładowany obiekt można wizualizować za pomocą fikcyjnych linii zwanych "liniami pola elektrycznego". Te linie są zbiorem strzałek narysowanych w celu wizualizacji zarówno wielkości, jak i kierunku pola. Zazwyczaj linie pola są kierowane z dala od dodatniego ładunku źródłowego w kierunku ujemnego ładunku źródłowego.

Całkowita liczba linii pola wytworzonych przez naładowany obiekt reprezentuje ilość ładunku, podczas gdy gęstość linii w określonym miejscu w polu oznacza wielkość w tym miejscu. W związku z tym linie są ciasno upakowane w pobliżu naładowanej kuli, podczas gdy są bardziej oddalone od siebie w większej odległości od źródła .

Kierunek pola elektrycznego ładunku o nieznanym źródle określa się poprzez umieszczenie ładunku testowego w pobliżu ładunku źródłowego i obserwację, czy ładunek testowy jest przyciągany w kierunku ładunku źródłowego lub od niego odpychany.

Wielkość tej siły "F" jest określona przez prawo Coulomba, które mówi, że siła jest liniowo proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego i wielkości ładunku na badanym ładunku. Dla kierunku: jeśli ładunek testowy jest dodatni, kierunek siły działającej na ładunek testowy jest taki sam jak pole elektryczne. Jeśli jednak ładunek testowy jest ujemny, kierunek siły jest przeciwny do kierunku pola elektrycznego ładunku źródłowego.

Pola elektryczne mogą również wytwarzać różnicę potencjałów elektrycznych lub spadek napięcia wzdłuż kierunku pola. Zjawisko to zostało szczegółowo omówione w filmie Potencjał elektryczny tej kolekcji. I odwrotnie, ważne jest, aby pamiętać, że pola elektryczne są również generowane przez przyłożenie różnych napięć do dwóch oddzielnych przewodów. W tym przypadku kierunek pola wskazuje od wyższego napięcia do niższego napięcia.

Oprócz naładowanych obiektów, pola elektryczne wpływają również na materiały, które są neutralne pod względem ładunku, takie jak drut miedziany. Wszystkie neutralne materiały składają się z ogromnej i równej ilości ładunków dodatnich i ujemnych. Pola elektryczne wywierają więc siłę na każdy z tych ładunków; powodujące przemieszczenie dużych zbiorów ładunku w materiale. Może to skutkować skuteczną separacją ładunków dodatnich i ujemnych i jest znane jako "polaryzacja".

W następnej sekcji zobaczymy, jak zobrazować linie pola elektrycznego generowane przez przyłożenie napięć do dwóch różnych konfiguracji elektrod. W następnej części zobaczymy wpływ sił elektrycznych i zjawisko polaryzacji za pomocą papieru, futra, pręta akrylowego i puszki po napoju.

Demonstracja składa się z generatora elektrostatycznego, takiego jak ręczny statyczny generator Genecon lub generator van der Graff, pary elektrod ułożonych w koncentryczny okrąg, pary elektrod ułożonych równolegle do siebie oraz szalki Petriego lub zbiornika obserwacyjnego.

Zbiornik obserwacyjny jest wypełniony lepkim olejem, takim jak olej rycynowy, i około pół grama polaryzowanego proszku, takiego jak nasiona kaszy manny.

Załaduj zbiornik obserwacyjny wypełniony emulsją olejowo-proszkową do jego uchwytu. Następnie zamontuj płytkę z równoległą konfiguracją elektrod na uchwycie. Za pomocą kabli podłącz elektrody do ujemnych i dodatnich zacisków generatora elektrostatycznego.

Obróć korbę generatora o co najmniej 5 pełnych obrotów, tworząc w ten sposób różnicę potencjałów między dwoma przewodnikami i tworząc pole elektryczne. Ponieważ dodany proszek jest polaryzowalny, drobinki proszku powoli zaczną ustawiać się w linii pola elektrycznego.

Następnie, w celu zneutralizowania ładunków, należy bezpośrednio zewrzeć zaciski dodatnie i ujemne, podłączając kabel między zaciskami. Po odczekaniu kilku sekund, aż ładunek się rozproszy, odłącz kabel zwierający od zacisków. Następnie należy zdemontować płytkę elektrody z uchwytu.

Teraz zamontuj płytkę z koncentryczną konfiguracją elektrod kołowych na uchwycie. Wymieszaj olej i spolaryzowany proszek w zbiorniku obserwacyjnym, ostrożnie zwijając zestaw.

Włącz generator i obracaj nim co najmniej 5 pełnych obrotów, aby wytworzyć pole elektryczne między dwoma pierścieniami przewodów. Proszek między pierścieniami utworzy linie promieniujące wskazujące, że linie pola elektrycznego w tym obszarze są podobne do linii pola elektrycznego ładunku punktowego znajdującego się w środku pierścieni. W przeciwieństwie do tego, proszek w wewnętrznym kręgu nie ma dostrzegalnego wyrównania, co wskazuje, że w tym obszarze nie ma znaczącego pola elektrycznego.

Omówmy teraz eksperyment, który demonstruje polaryzację i siły pola elektrycznego. Typowe przedmioty używane w tej demonstracji to pusta puszka po napoju gazowanym, akrylowy pręt, kawałek futra wystarczająco duży, aby owinąć go wokół pręta, oraz pasek papieru.

Umieść pustą puszkę po napoju na boku, aby mogła się swobodnie toczyć. Owiń kawałek futra wokół pręta i pocieraj go od końca do końca co najmniej 10 razy. Pocierając pręt, fizycznie przenosisz elektrony z futra na pręt i sprawiasz, że pręt jest naładowany ujemnie, co pozwala mu generować pole elektryczne potrzebne do wywołania polaryzacji.

Zbliż naładowany pręt do pustej puszki po napoju i obserwuj siły przyciągania działające na puszkę, gdy zaczyna toczyć się w kierunku pręta. Dzieje się tak, ponieważ pole elektryczne pręta indukuje polaryzację puszki po napojach. Ładunki przeciwne w znaku do tych na pręcie są zbliżane do pręta, podczas gdy ładunki o tym samym znaku są odpychane od pręta. Powoduje to, że pręt wywiera na puszkę zarówno siły przyciągające, jak i odpychające. Ponieważ przeciwne ładunki znajdują się bliżej pręta, doświadczają one silniejszej siły, która wytwarza wypadkową siłę przyciągania w kierunku pręta.

Następnie zbliż naładowany pręt do paska papieru i obserwuj, jak papier wygina się w kierunku pręta. Atrakcyjne zachowanie jest wynikiem tego samego indukowanego efektu polaryzacji, który spowodował, że puszka napoju stoczała się w kierunku pręta. Co ciekawe, pomimo tego, że waży znacznie mniej niż puszka napoju gazowanego, ogólny ruch papieru jest stosunkowo niewielki. Wynika to z izolacyjnego charakteru papieru w porównaniu z przewodzącym charakterem puszki, co prowadzi do znacznie słabszej polaryzacji.

Pola elektryczne są wszechobecne, ponieważ występują wszędzie tam, gdzie występują naładowane obiekty lub różnice napięć.

Elektryczność lub prąd elektryczny jest wynikiem pól sił elektrycznych przepychających ładunek przez wysoce przewodzące przewody. Na dużą skalę wiąże się to z kierowaniem energii elektrycznej z elektrowni do budynków mieszkalnych i komercyjnych. Na mniejszą skalę przepływ prądu elektrycznego przez obwód ma fundamentalne znaczenie dla działania dowolnego urządzenia elektronicznego, takiego jak dioda LED, żarówka, wentylator lub komputer.

Spektrometria mas wykorzystuje pola elektryczne do określenia składu chemicznego próbki. W tym sprzęcie najpierw zjonizowane cząsteczki są generowane przez zastosowanie silnych sił, takich jak wiązka elektronów, plazma lub lasery. Te naładowane cząsteczki są następnie przepuszczane przez zestaw naprzemiennych pól elektrycznych. Pole wywiera na cząsteczki siłę elektryczną, która zmienia ich trajektorię, prowadząc do skutecznej separacji.

Właśnie obejrzeliście wprowadzenie JoVE do Electric Fields. Powinieneś teraz zrozumieć zasady, które rządzą wielkością i kierunkiem pól elektrycznych, jak wizualizować linie pola elektrycznego i jak polaryzacja może być indukowana przez pole elektryczne. Dzięki za oglądanie!