电场

Physics II

Your institution must subscribe to JoVE's Physics collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Overview

资料来源: 陈博士体育永,物理系 & 天文学、 科技大学、 普渡大学、 西拉斐特,在

电场在它周遭的空间,由被控对象 (称为源电荷) 和代表施加电场力对另一个被控对象 (称为测试电荷) 的能力。由在任何给定的点在空间中的向量表示,电场是每单位测试电荷放在该点上 (任意电荷上的力会时间电场电荷) 的电力量。电场是电力和影响的收费,根本和它与电气电压等其他重要数量也关系密切。

本实验将使用油中排队与电场产生的带电电极进行可视化电场线的电气化的粉末。本实验还将演示如何电场能诱导收费和收费回应电场通过观察带电的杆影响一个附近的汽水罐。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 电场. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

被控的对象产生电场在周围的空间。例如,根据高斯定律,点电荷 Q 原点上产生电场:

Equation 1(方程 1)

在距离从收费空间中任何一点 (在起源 r = 0),电场的方向是沿径向方向 (从电荷 Q 是积极的如果和充电如果 Q 是负向)。收取费用会产生一个总的电场叠加原理,即总的电场是由个别收费产生的电场的矢量和。为总电荷 Q 均匀带电球面,范围之外产生的电场是领域的电场 (给出的方程 1) 相同点状电荷 Q 位于中心,而内球面的电场就会是领域的零。

如果你跟随到描绘出向量场的局部电场的方向线路,这些线路 (其正切反映了电场作用下,局部方向和线的密度反映了当地的电场强度) 被称为"电场线"。他们是帮助可视化的分布和电场方向的虚拟线。

电场是密切相关的电潜力。电场作用下会产生潜力下降 (或"电压降") 沿方向的字段。相反,方便地生成电场是适用的电位差。例如,如果两个不同电压对两个分离的导体 (或非零电压导线,同时另一个导体"接地"零电压),然后生成指向方向从高电压导线至较低的电压导线的两个导体之间的空间电场分布。

电场 (E) 将施加的力,

Equation 2

(q) 充电。力的方向是电场积极 q,与电场负 q 相同。如果导体 (如金属) 包含移动收费被放置在电场中,电场将推正电荷"下游"方向电场和拉负收费 (如电子)"上游"相反方向的电场,直至收费积累的边界 (表面) 的导体,不能移动进一步。这会导致在导体在电场作用下,一种现象也被称为"极化"由电场正负电荷分离。甚至对于绝缘子收费是比那些在导体中较不流动,部分"极化"(那里稍流离失所的消极和积极的收费) 可以发生在电场作用下。电场将尽量从负位移与正电荷与场的方向保持一致。如果电场是空间不均匀,这样不要取消这些分离的积极和消极的电荷的受力,合力将施加极化的对象。

Procedure

1.可视化电场线

  1. 获得 (如掌上电脑的静态 Genecon 或范格拉夫发电机) 静电发生器、 一对放置在同心圆配置中,电极和对电极排列互相平行。
  2. 获取一个培养皿或观察坦克、 装满油 (如蓖麻油),和在油中添加电气化极化粉末 (如粗面粉种子)。
  3. 加载的电极用平行电极配置上观察罐持有人。连接到"−"(地面) 的两个电极和"+"() 终端的静电发生器,分别负责,如图 1所示。用夹,可以通过电缆进行连接。

Figure 1

图 1:图中显示的两个铜导线相连,另一端 (浸入油) 的电线的发电机,原理图与一对平行电极相连。

  1. 打开曲柄的发电机,将积极在电极上的收费连接到"+"终端。至少 5 充分的转弯。观察的行为的粉末。
  2. 使用电缆将直接短"−"和"+"终端电荷。断开终端连接电极。
  3. 接下来,同心圆电极配置加载到持有人和电极再次连接到发电机的终端,如图 2所示。在盘子里随机粉搅拌油。

Figure 2

图 2:图中显示的两个铜导线相连,另一端 (浸入油) 的电线的发电机,原理图与一对分别为内环与外环形状的电极相连。

  1. 曲柄的发电机 (至少 5 圈) 和充电电极,并观察这道菜中粉末的行为。

2.电场的影响

  1. 获取一个空可乐罐和休息一边 (所以它可以自由地卷) 上表
  2. 获得的压克力棒;擦它用毛皮来给它充电。
  3. 带杆接近空可乐罐,并观察易拉罐的响应。
  4. 撕纸一小片和带给带电棒,观察其行为。

电场作用是理解电力和电荷电荷相互作用的基础,是密切相关的重要数量等电位。

任何被控的对象会产生电场。字段的大小是电荷的依赖于该对象,并从该对象的距离测量的场是电荷的上数量。这些字段也施加力,其他附近的指控或材料造成有趣的现象。

在这个视频中,首先我们将重新审视与电场,相关的基本概念,然后我们将说明有助于研究电场和力量,影响收费和材料领域的一项实验。最后,我们将看到几个应用程序使用电场对他们有利。

正如前面提到的被控的对象产生电场在周围的空间。根据高斯定律,电场的大小是近似成正比源电荷 'Q' 和 'r' 距离的平方与从源头收费; 成反比和 'k'是库仑常数的。因此,双倍的双场强源电荷结果。而加倍的测量距离场强度降低的四倍。

可以使用虚拟线称为"电场线"可视化的被控对象产生的电场。这些线条是箭头绘制以帮助可视化领域的方向和大小的集合。通常情况下,磁力线被针对从正面源电荷和对否定源电荷。

由被控对象的字段行的总数表示电荷量,而在该字段中的特定位置线的密度表示在该位置的大小。因此,这些行都被密集的附近一个带电的球体,则更加扩散分开的在更大的距离,从源头。

未知的源电荷电场的方向是由源电荷附近放置测试电荷和观察是否测试电荷是被吸引或排斥从源电荷决定的。

由库仑定律,迫使哪个国家是近似成正比的电场强度和对测试电荷的电荷量给出了 'F' 这个力的大小。方向: 如果测试电荷是积极的测试电荷上的力的方向是相同的电场。然而,如果测试电荷为负,力的方向是相反的源电荷电场。

电势差或电压降,沿方向的领域,也可以产生电场。这种现象是在此集合的电位视频中详细讨论。相反,它是一定要注意电场也由两个分离的导体的不同电压应用。在这种情况下,字段方向从较高的电压指向低电压。

除了带电物体,电场也影响是电荷中性,像铜导线的材料。所有中性材料组成的巨大和平等地大量正电荷与负电荷。电场因此施加力,对每个这些费用;造成大量的材料中电荷位移。这可以导致在正电荷与负电荷有效分离,被称为"极化"。

在下一节中,我们将看到如何可视化的电场的电压对两种不同的电极配置的应用程序生成的场线。在节下面,我们将看到电动力量的作用和使用纸张的两极化的现象,皮毛、 压克力棒和一杯苏打水可以。

示范包括静电发生器,如手持的静态 Genecon 或范格拉夫发电机,一对电极排列在同心圆配置中,一对电极排列平行于对方,和培养皿或观察坦克。

观察被注满粘性油、 蓖麻油和极化的粉末,如粗面粉种子约半克等。

负载观察罐装满油和粉乳液到其持有人。下一步,安装板的平行电极配置上持有人。使用电缆,将电极连接到静电发生器的消极和积极端子。

轮到曲柄发电机至少 5 完全变成从而创建两个导体之间的电位差和建立一个电场。由于加的粉是极化,粉末的斑点会慢慢开始沿着与电场线。

下一步,来消除收费,直接短正极和负极端子所连接的终端之间的电缆。后等待几秒钟,费用就消散了,从终端拔下做空的电缆。然后,从持有人卸载电极板。

现在,安装板的同心圆电极配置上持有人。通过仔细地滚动设置混合油和极化粉在观察容器中。

打开发电机和曲柄它至少 5 全变成创建两个导体环之间的电场。粉圈之间将形成辐射线表明这一地区中的电场线类似于位于圆环的中心点电荷的电场线。相比之下,在圈内的粉具有指示没有可观的电场存在在这一地区没有明显的对齐方式。

现在让我们讨论一下演示极化与电场实验部队。本演示中使用的常见项是一个空可乐罐、 压克力棒、 一块毛皮大到足以环绕杆和纸条。

地方空汽水可以一边,所以它可以自由滚动。包一块毛皮周围杆和擦端到端了至少 10 倍。摩擦杆,物理就是毛皮的电子转移到杆,并使杆带负电荷的离子允许它产生电场诱导极化所需。

使带电的棒接近空可乐罐和观察引力就可以,因为它开始滚向杆。这是因为杆的电场诱导极化在易拉罐上。虽然收费相同的符号被推离杆对面在标示上与那些在杆上的收费是贴近杆。这个结果在杆施加各种吸引力和排斥力就可以。由于接近杆相反的电荷,这些经验有更强的力量,产生净吸引力力向杆。

接下来,带来接近纸条的带电的杆和观察纸弯向杆。有吸引力的行为是造成汽水相同激发的极化效应的结果可以滚向杆。有趣的是文章的,尽管体重比苏打水可以少得多,整体运动是文章的比较小的。这是由于纸张相比可以导致多弱极化的导电性质的绝缘性质。

电场是无处不在的因为它们存在于任何被对象或电压差异。

电力或电流,是电动推高导电丝通过电荷的力场的结果。对规模较大,这涉及到路由电力从发电厂到住宅和商业建筑。规模较小,通过电路的电流通道是根本、 以经营任何电子设备,如 LED、 灯泡、 一把扇子或一台计算机。

质谱使用电场来确定样品的化学成分。在这种设备,首先离子化的分子是应用程序生成的强大力量,如一束电子,血浆或激光器。这些指控分子然后通过一整套的交变电场。该字段的作用力电动分子,改变他们的轨迹,从而导致有效分离。

你刚看了电场的朱庇特的简介。现在,您应该了解指导的大小和方向的电场,如何可视化电场线和如何极化可以诱导电场的原则。谢谢观赏 !

Results

对于步骤 1.4,粉将开始形成,如图 3所示的电极之间的线条图案。这是因为粉末两极化,将线上与电场。他们也被引向更强,即接近正极领域在哪里。因为石油是非常粘稠,粉末不明显移动。粉末的模式可视化"电场线"。

Figure 3
图 3:图显示可能由粉,油,对齐到对应于图 1的带电电极产生的电场中的代表线模式。线条图案反映电场线和可视化的电场。

步 1.7 外中心环 (由"+"电极), 粉的形式径向线模式,如图 4所示。这表明,电场存在内圈外。然而内, 环内的粉上去是随机的并不构成校准的图案。这反映了内环的电场是近似为零。

Figure 4
图 4:显示代表线条图案由粉油中的电场响应窗体产生的带电电极对应于图 2的图。线条图案反映电场线和可视化的电场。随机分布 (图样所缺乏的线) 的内环内粉反映了对齐方式缺乏或缺乏足够强度的电场存在。

2.3 和 2.4 的步骤,苏打水可以和试纸会被吸引和走向带电杆。接近杆与杆距离更远较弱,这是因为苏打水可以和试纸会被极化电场作用下,和电场越强。因此,由更强大的力量相比,这些相反的电荷,推离杆拔收费由电场接近杆,拉扯。这将产生对杆的净吸引力力。

Applications and Summary

在这个实验中,我们有可视化电场使用油中与电场线对齐的电气化的粉末。我们还演示了产生电荷杆来吸引极化物体推向杆,,源电场的电场是强电场的影响。

电场是无处不在。每当有收费或电压 (电势) 差异有电场。电场力推收费 (通常电子) 向窗体在任何电路中的电流。电场也负责我们所看到和经历的火花在干燥的气候 (通常在冬天的时候)。当某些操作 (例如,揉一件毛衣,删除它时) 产生足够数量的费用,从而一个足够强的电场时,字段可以导致瞬态电传导在空气 (也称为"击穿",电场是足够强大,不仅对立的空气分子,而是即使撕掉电子从空气分子)并引起火花。

实验的作者承认援助的加里 · 哈德逊的材料制备和 Chuanhsun 李演示视频中的步骤。

1.可视化电场线

  1. 获得 (如掌上电脑的静态 Genecon 或范格拉夫发电机) 静电发生器、 一对放置在同心圆配置中,电极和对电极排列互相平行。
  2. 获取一个培养皿或观察坦克、 装满油 (如蓖麻油),和在油中添加电气化极化粉末 (如粗面粉种子)。
  3. 加载的电极用平行电极配置上观察罐持有人。连接到"−"(地面) 的两个电极和"+"() 终端的静电发生器,分别负责,如图 1所示。用夹,可以通过电缆进行连接。

Figure 1

图 1:图中显示的两个铜导线相连,另一端 (浸入油) 的电线的发电机,原理图与一对平行电极相连。

  1. 打开曲柄的发电机,将积极在电极上的收费连接到"+"终端。至少 5 充分的转弯。观察的行为的粉末。
  2. 使用电缆将直接短"−"和"+"终端电荷。断开终端连接电极。
  3. 接下来,同心圆电极配置加载到持有人和电极再次连接到发电机的终端,如图 2所示。在盘子里随机粉搅拌油。

Figure 2

图 2:图中显示的两个铜导线相连,另一端 (浸入油) 的电线的发电机,原理图与一对分别为内环与外环形状的电极相连。

  1. 曲柄的发电机 (至少 5 圈) 和充电电极,并观察这道菜中粉末的行为。

2.电场的影响

  1. 获取一个空可乐罐和休息一边 (所以它可以自由地卷) 上表
  2. 获得的压克力棒;擦它用毛皮来给它充电。
  3. 带杆接近空可乐罐,并观察易拉罐的响应。
  4. 撕纸一小片和带给带电棒,观察其行为。

电场作用是理解电力和电荷电荷相互作用的基础,是密切相关的重要数量等电位。

任何被控的对象会产生电场。字段的大小是电荷的依赖于该对象,并从该对象的距离测量的场是电荷的上数量。这些字段也施加力,其他附近的指控或材料造成有趣的现象。

在这个视频中,首先我们将重新审视与电场,相关的基本概念,然后我们将说明有助于研究电场和力量,影响收费和材料领域的一项实验。最后,我们将看到几个应用程序使用电场对他们有利。

正如前面提到的被控的对象产生电场在周围的空间。根据高斯定律,电场的大小是近似成正比源电荷 'Q' 和 'r' 距离的平方与从源头收费; 成反比和 'k'是库仑常数的。因此,双倍的双场强源电荷结果。而加倍的测量距离场强度降低的四倍。

可以使用虚拟线称为"电场线"可视化的被控对象产生的电场。这些线条是箭头绘制以帮助可视化领域的方向和大小的集合。通常情况下,磁力线被针对从正面源电荷和对否定源电荷。

由被控对象的字段行的总数表示电荷量,而在该字段中的特定位置线的密度表示在该位置的大小。因此,这些行都被密集的附近一个带电的球体,则更加扩散分开的在更大的距离,从源头。

未知的源电荷电场的方向是由源电荷附近放置测试电荷和观察是否测试电荷是被吸引或排斥从源电荷决定的。

由库仑定律,迫使哪个国家是近似成正比的电场强度和对测试电荷的电荷量给出了 'F' 这个力的大小。方向: 如果测试电荷是积极的测试电荷上的力的方向是相同的电场。然而,如果测试电荷为负,力的方向是相反的源电荷电场。

电势差或电压降,沿方向的领域,也可以产生电场。这种现象是在此集合的电位视频中详细讨论。相反,它是一定要注意电场也由两个分离的导体的不同电压应用。在这种情况下,字段方向从较高的电压指向低电压。

除了带电物体,电场也影响是电荷中性,像铜导线的材料。所有中性材料组成的巨大和平等地大量正电荷与负电荷。电场因此施加力,对每个这些费用;造成大量的材料中电荷位移。这可以导致在正电荷与负电荷有效分离,被称为"极化"。

在下一节中,我们将看到如何可视化的电场的电压对两种不同的电极配置的应用程序生成的场线。在节下面,我们将看到电动力量的作用和使用纸张的两极化的现象,皮毛、 压克力棒和一杯苏打水可以。

示范包括静电发生器,如手持的静态 Genecon 或范格拉夫发电机,一对电极排列在同心圆配置中,一对电极排列平行于对方,和培养皿或观察坦克。

观察被注满粘性油、 蓖麻油和极化的粉末,如粗面粉种子约半克等。

负载观察罐装满油和粉乳液到其持有人。下一步,安装板的平行电极配置上持有人。使用电缆,将电极连接到静电发生器的消极和积极端子。

轮到曲柄发电机至少 5 完全变成从而创建两个导体之间的电位差和建立一个电场。由于加的粉是极化,粉末的斑点会慢慢开始沿着与电场线。

下一步,来消除收费,直接短正极和负极端子所连接的终端之间的电缆。后等待几秒钟,费用就消散了,从终端拔下做空的电缆。然后,从持有人卸载电极板。

现在,安装板的同心圆电极配置上持有人。通过仔细地滚动设置混合油和极化粉在观察容器中。

打开发电机和曲柄它至少 5 全变成创建两个导体环之间的电场。粉圈之间将形成辐射线表明这一地区中的电场线类似于位于圆环的中心点电荷的电场线。相比之下,在圈内的粉具有指示没有可观的电场存在在这一地区没有明显的对齐方式。

现在让我们讨论一下演示极化与电场实验部队。本演示中使用的常见项是一个空可乐罐、 压克力棒、 一块毛皮大到足以环绕杆和纸条。

地方空汽水可以一边,所以它可以自由滚动。包一块毛皮周围杆和擦端到端了至少 10 倍。摩擦杆,物理就是毛皮的电子转移到杆,并使杆带负电荷的离子允许它产生电场诱导极化所需。

使带电的棒接近空可乐罐和观察引力就可以,因为它开始滚向杆。这是因为杆的电场诱导极化在易拉罐上。虽然收费相同的符号被推离杆对面在标示上与那些在杆上的收费是贴近杆。这个结果在杆施加各种吸引力和排斥力就可以。由于接近杆相反的电荷,这些经验有更强的力量,产生净吸引力力向杆。

接下来,带来接近纸条的带电的杆和观察纸弯向杆。有吸引力的行为是造成汽水相同激发的极化效应的结果可以滚向杆。有趣的是文章的,尽管体重比苏打水可以少得多,整体运动是文章的比较小的。这是由于纸张相比可以导致多弱极化的导电性质的绝缘性质。

电场是无处不在的因为它们存在于任何被对象或电压差异。

电力或电流,是电动推高导电丝通过电荷的力场的结果。对规模较大,这涉及到路由电力从发电厂到住宅和商业建筑。规模较小,通过电路的电流通道是根本、 以经营任何电子设备,如 LED、 灯泡、 一把扇子或一台计算机。

质谱使用电场来确定样品的化学成分。在这种设备,首先离子化的分子是应用程序生成的强大力量,如一束电子,血浆或激光器。这些指控分子然后通过一整套的交变电场。该字段的作用力电动分子,改变他们的轨迹,从而导致有效分离。

你刚看了电场的朱庇特的简介。现在,您应该了解指导的大小和方向的电场,如何可视化电场线和如何极化可以诱导电场的原则。谢谢观赏 !

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE