$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Электрическое поле имеет фундаментальное значение для понимания электричества и взаимодействия заряда 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 оказывают воздействие на другие близлежащие заряды или материалы, вызывая интересные явления.
В этом видео мы сначала вернемся к основным понятиям, 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 рассмотрим 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' - это кулоновская константа. Таким образом, удвоение количества заряда источника приводит к удвоенному увеличению напряженности поля. В свою очередь, удвоение расстояния измерения уменьшает 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, нарисованных для визуализации как величины, так и направления поля. Как правило, силовые линии направлены от положительного заряда источника к отрицательному заряду источника.
Общее количество силовых линий, создаваемых заряженным объектом, представляет собой величину заряда, в то время как плотность линий в определенном месте поля обозначает величину в этом месте. Таким образом, линии плотно упакованы вблизи заряженной сферы, в то время как на большем расстоянии от источника они более разнесены друг от друга.
Направление электрического поля неизвестного исходного заряда определяется путем размещения тестового заряда в непосредственной близости от исходного заряда и наблюдения за тем, притягивается ли тестовый заряд к исходному заряду или отталкивается от него.
Величина этой силы 'F' определяется законом Кулона, который гласит, что сила линейно пропорциональна напряженности электрического поля и величине заряда на пробном заряде. Для направления: если тестовый заряд положительный, направление силы на тестовом заряде такое же, как и электрическое поле. Однако, если тестовый заряд отрицательный, направление силы противоположно направлению электрического поля исходного заряда.
Электрические поля также могут вызывать разность электрических потенциалов или падение напряжения вдоль направления поля. Это явление подробно обсуждается в видеоролике «Электрический потенциал» этой коллекции. И наоборот, важно отметить, что электрические поля также генерируются при подаче различных напряжений на два отдельных проводника. В этом случае направление поля указывает от более высокого напряжения к более низкому.
Помимо заряженных объектов, электрические поля также воздействуют на материалы, которые являются нейтральными по заряду, такие как медная проволока. Все нейтральные материалы состоят из огромного и равного количества положительных и отрицательных зарядов. Таким образом, электрические поля оказывают воздействие на каждый из этих зарядов; В результате происходит смещение больших скоплений шихты в материале. Это может привести к эффективному разделению положительных и отрицательных зарядов и известно как «поляризация».
В следующем разделе мы увидим, как визуализировать силовые линии электрического поля, генерируемые подачей напряжений на две различные конфигурации электродов. А в следующем разделе мы увидим действие электрических сил и явление поляризации с помощью бумаги, меха, акрилового стержня и банки из-под газировки.
Демонстрация состоит из электростатического генератора, такого как портативный генератор Static Genecon или генератор Ван дер Граффа, пары электродов, расположенных в концентрической окружности, пары электродов, расположенных параллельно друг другу, и чашки Петри или резервуара для наблюдения.
Наблюдательный бак заполнен вязким маслом, таким как касторовое масло, и примерно полуграммом поляризуемого порошка, такого как семена манной крупы.
Загрузите в держатель смотровой бак, наполненный маслом и порошковой эмульсией. Далее установите пластину с параллельной конфигурацией электродов на держатель. С помощью кабелей соедините электроды с отрицательными и положительными клеммами электростатического генератора.
Поверните кривошип генератора не менее чем на 5 полных оборотов, тем самым создав разность потенциалов между двумя проводниками и установив электрическое поле. Поскольку добавленный порошок является поляризуемым, частицы порошка начнут медленно выстраиваться в линию с линиями электрического поля.
Далее, чтобы нейтрализовать заряды, напрямую закоротите положительную и отрицательную клеммы, подсоединив кабель между клеммами. Подождав несколько секунд, пока заряд рассеется, отсоедините кабель короткого замыкания от клемм. Затем отсоедините электродную пластину от держателя.
Теперь установите пластину с концентрическим кругом электрода на держатель. Смешайте масло и поляризующийся порошок в наблюдательном баке, осторожно скатав установку.
Включите генератор и прокрутите его не менее чем на 5 полных оборотов, чтобы создать электрическое поле между двумя кольцами проводника. Порошок между кольцами образует излучающие линии, указывающие на то, что линии электрического поля в этой области аналогичны линиям электрического поля точечного заряда, расположенного в центре колец. Напротив, порошок внутри внутреннего круга не имеет заметного выравнивания, что указывает на то, что в этой области не существует заметного электрического поля.
Теперь давайте обсудим эксперимент, который демонстрирует поляризацию и силы электрического поля. В этой демонстрации обычно используются пустая банка из-под газировки, акриловый стержень, кусок меха, достаточно большой, чтобы его можно было обернуть вокруг стержня, и полоска бумаги.
Положите пустую банку из-под газировки на бок, чтобы она могла свободно скатываться. Оберните клочок меха вокруг стержня и потрите его встык не менее 10 раз. Потирая стержень, вы физически переносите электроны от меха к стержню и делаете стержень отрицательно заряженным, позволяя ему генерировать электрическое поле, необходимое для индуцирования поляризации.
Поднесите заряженный стержень ближе к пустой банке из-под газировки и наблюдайте за силами притяжения на банке, когда она начинает катиться к стержню. Это связано с тем, что электрическое поле стержня индуцирует поляризацию на банке из-под газировки. Заряды, противоположные по знаку тем, что на жезле, подносят ближе к жезлу, в то время как заряды того же знака отталкиваются от стержня. Это приводит к тому, что удилище оказывает на банку как притягивающие, так и отталкивающие силы. Поскольку противоположные заряды находятся ближе к стержню, они испытывают более сильную силу, которая создает чистую силу притяжения к стержню.
Затем поднесите заряженный стержень близко к полоске бумаги и наблюдайте, как бумага изгибается по направлению к стержню. Притягивающее поведение является результатом того же эффекта индуцированной поляризации, который заставил банку газировки покатиться к стержню. Интересно, что, несмотря на то, что бумага весит намного меньше, чем банка газировки, общее движение бумаги сравнительно невелико. Это связано с изолирующим характером бумаги по сравнению с проводящим характером 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 через провода с высокой проводимостью. В больших масштабах это включает в себя маршрутизацию электроэнергии 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, лампочка, вентилятор или компьютер.
Масс-спектрометрия использует электрические поля для определения химического состава образца. В этом оборудовании ионизированные молекулы сначала генерируются с помощью сильных сил, таких как электронный пучок, плазма или лазеры. Затем эти заряженные молекулы пропускаются 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 управляют величиной и направлением электрических полей, как визуализировать линии электрического поля и как поляризация может быть индуцирована электрическим полем. Спасибо за просмотр!
