電界

Physics II

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Overview

ソース: 龍 p. 陳博士は、物理学科 & 天文学、科学の大学、パーデュー大学、ウェスト ラファイエット, インディアナ

電界は、それのまわりの空間で課金オブジェクト (ソース電荷と呼ばれる) によって生成され、(試験電荷と呼ばれる) 別の充電されたオブジェクトに電気の力を発揮する機能を表します。空間内の任意の時点でベクトルで表され、電界は (任意の電荷に働く力は電界倍料金になる) その時点で置かれたユニット テスト充電あたり電気の力です。電界は電気と料の効果の基本と、電圧など他の重要な量にも密接に関連しています。

この実験は、電界線を視覚化する荷電電極によって生成される電場と並ぶオイルで電化の粉末を使用します。この実験は、電界が料金を引き起こすことができる方法と料金は近くのソーダ缶に帯電ロッドの効果を観察することによって電場に応答する方法も示します。

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JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 II. 電界. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

課金オブジェクトでは、周囲の空間に電界を生成します。たとえば、ガウスの法則によると点電荷 Q が原点にある電界を生成します。

Equation 1(関係式 1)

空間電荷から距離 r の任意の時点で (起源の r = 0)、(電荷 Q が肯定的な場合から、電荷 Q が負の場合に) 径方向電場の方向と。料金のコレクションは、重ね合わせの原理によると合計電界を生成する、すなわち合計の電界は個々 の額によって生成される電場のベクトル和。総電荷量 Q と一様に帯電球、球外の電場は、(与えられたもの数式 1) 電界と同じポイントのような電荷 Q、球の中心に位置するため球内部電界はゼロになるに対し。

ラインの 1 つに続く電界の局所方向ベクトル場をトレースする場合、これらの行 (タンジェントが電界強度のローカル方向を反映しているし、線の密度が局所電場の強さを反映)「電界線」として知られています。分布と電界の方向を視覚化に役立つ架空の線です。

電界は電気に密接に関連の可能性です。電界は、潜在的なを生成するフィールドの方向に沿ってドロップ (または「電圧降下」).逆に、電気フィールドを生成する便利な方法は、潜在的な違いを適用することです。たとえば、2 つの分離された導体 (または指揮者に「接地」ゼロ電圧で別の指揮者を維持しながらゼロ電圧) 2 つの異なる電圧を適用すると、指揮者より高い電圧から低電圧指揮者への方向を指す 2 つの導体間の空間に電界が生成されます。

電界 (E) は、力を発揮します。

Equation 2

(q) の充電。力の方向は、電界正 q と負の q の電場と反対と同じです。場合電界下における携帯電話料金を含む導体 (金属) などを配置すると、電界は「下流」の正電荷電界とプルの負電荷 (電子) などの方向に「上流」、電界の方向に向かいまで押し込みます料金指揮者の境界 (表面) に蓄積し、さらに移動できません。これは現象「偏波」とも呼ばれる、電界印加による電界の指揮者の正および負電荷の分離で起因します。料金は指揮者のそれらよりはるかに少ない携帯絶縁体に対しても (どこ正および負電荷がわずかにずれて) 部分的な「偏光」電界の発生します。電界はフィールドの方向に揃えて正の電荷を負から変位を確認しようとします。電界空間的不均質な場合分けられた肯定的なおよび負電荷に働く力をキャンセルしないでください、正味の力は偏光オブジェクトに出されなければ。

Procedure

1. 電界線を可視化します。

  1. (ハンドヘルド静的 Genecon van der グラフ ジェネレーターなど) 静電気発電機、同心円構成に配置された電極のペアと互いに平行に配置された電極のペアを取得します。
  2. シャーレまたは観測戦車を入手、(キャスター オイル) などオイルでそれを埋めるし、油で (セモリナ粉の種) など電化/分極性粉末を追加します。
  3. 電極観察タンク ホルダーに平行な電極構成をロードします。「−」(地面) に 2 つ電極を接続し、、"+"(有料) 静電気発電機の端子それぞれ、図 1のように。ケーブルのクランプで接続が可能します。

Figure 1

図 1:用発電機、その他 (オイル漬) 線の両端に接続されている 2 つの銅線の模式図を示す図は、平行電極のペアに接続されます。

  1. 正電極上料金が「+」端子に接続する発電機のクランクを回します。少なくとも 5 回転を確認します。粉体の行動を観察します。
  2. ケーブルを使用して直接短い「−」および「+」端末の充満を中和します。端末から電極を外します。
  3. 次に、ホルダーに同心円電極構成を読み込むし、図 2に示すように、電極を発電機の端子に再度接続します。粉末をランダムに皿に油をかき混ぜなさい。

Figure 2

図 2:用発電機、その他 (オイル漬) 線の両端に接続されている 2 つの銅線の模式図を示す図は、それぞれインナー リングとアウター リング状電極のペアに接続されます。

  1. (少なくとも 5 ターン) 発電機をクランク アップし電極を充電し、粉末皿の中の行動を観察します。

2 電場の効果

  1. ジュースの空き缶を入手し、横向き (のでそれを自由に巻けます) テーブルの上に置か
  2. アクリルの棒を入手します。それを充電する毛皮でこする。
  3. ジュースの空き缶に近いロッドをもたらす、ソーダ缶の応答を観察します。
  4. 紙の小さなストリップを引き裂くと荷電の棒にそれを持って、その行動を観察します。

電界は電気と電荷の相互作用を理解する基礎は、電気潜在性など密接に関連する重要な量です。

荷電オブジェクトは、電気フィールドを生成します。フィールドの大きさ、オブジェクト、およびオブジェクトからフィールドを測定距離の電荷の量に依存します。これらのフィールドは、また、他の近くの料金や興味深い現象を引き起こす物質に力を発揮します。

このビデオでまず我々 は電気フィールドに関連する基本概念を取り上げます、電場と料金とフィールドの材料に影響を与える力を勉強に役立つ実験を紹介します。最後に、我々 は彼らの利点に電界を使用するアプリケーションのいくつかが表示されます。

前述のように、課金オブジェクトは周囲の空間に電界を生成します。ガウスの法則に従って電界の大きさは、ソース間電荷量 'Q' に正比例とソースの充電から 'r' の距離の二乗に反比例します。'k'クーロンの定数です。したがって、ソース料金結果電界強度 2 倍の量が倍増。測定 2 倍に対し、距離は 4 回で電界強度を削減します。

課金オブジェクトによって生成される電場は、「電界線」と呼ばれる架空の線を使用して視覚化できます。これらの行は、フィールドの方向と大きさを視覚化するために描画した矢印のコレクションです。通常、磁力線は、肯定的なソース間電荷量から、否定ソース電荷に向かって送られます。

荷電オブジェクトによって作成されたフィールド行の合計数は、電荷の量を表し、フィールドの特定の場所で線の密度がその場所で大きさを表します。したがって、線は、ソースからより長い距離で離れてより多くの普及している荷電球近く密接に詰まります。

未知のソース電荷の電場の方向は、元担任の近くに試験電荷を配置し、試験電荷を抱きこまするか、ソース間電荷量から反発を観察することによって決まります。

'F' は、強制的にどの状態が電界強度及び試験電荷の電荷の量に正比例クーロンの法則によって与えられるこの力の大きさ。方向: 試験電荷が正の場合試験電荷に働く力の方向は電場と同じ。ただし、試験電荷が負の場合、力の方向は、ソース電荷の電界とは逆です。

電界は電気電位差、またはフィールドの方向の電圧ドロップも生成できます。この現象は、このコレクションの電気潜在的なビデオで詳細に説明します。逆に、電界が異なる電圧の 2 つの分離された導体への応用によっても生成されることに注意してくださいすることが重要です。この場合、フィールドの方向は、高い電圧から低い電圧を指します。

荷電オブジェクトに加えて、電界は電荷中性、銅線のような材料も影響します。すべての中立的な資料は巨大で、等しい肯定的なおよび負電荷量から成っています。電界は、したがってこれらの料金のそれぞれに力を発揮します。材料での大規模なコレクションの変位に終って。肯定的なおよび負電荷の効果的な分離につながるとこ「偏光」として知られています。

次のセクションでは、2 つの異なる電極構成への電圧の適用によって発生する電界の磁力線を可視化する方法を紹介します。そしてセクション以下に電気力の効果と紙を用いた分極現象が参照してください、私たち、毛皮、アクリルの棒、およびソーダ缶します。

デモは、静電気発電機、ハンドヘルドの静的な Genecon またはヴァン der グラフ ジェネレーターなどで構成され、同心円構成に配置された電極のペア、対の電極、互いとシャーレまたは観測戦車に平行に配置。

観測戦車は、粘性油、ヒマシ油、分極性粉、セモリナ粉の種などの約半分のグラムなどでいっぱいです。

負荷観測戦車は、その所有者にオイルとパウダーのエマルジョンに満ちています。次に、マウント プレート ホルダーに平行な電極構成。静電気発電機の正と負の端子に電極を接続するケーブルを使用して、します。

少なくとも 5 における発電機のクランクを回す 2 つの導体間の電位差を作成し、電気フィールドを確立する電源を入れます。追加された粉体は分極性、粉体の斑点は電界線と並ぶだすとゆっくりと。

次に、電荷を中和するために端子間ケーブルを接続することによって正と負の端子をショート直接。電荷放散するまで数秒を待って後、端末からショート ケーブルを外します。その後、ホルダーから電極板をアンマウントします。

今、マウント ホルダーに同心円電極構成を持つプレート。慎重にセッティングを圧延によって観測戦車の分極性の粉と油を混ぜます。

発電機をオンにし、2 つの導体間の電気フィールドを作成する少なくとも 5 回転をクランクします。この地域の電気のフィールド行がリングの中心に位置する点電荷の電界線と同様であることを示す放射状リング間粉を形成します。対照的に、内側の円の内で粉体をこの地域でかなりの電場が存在しないことを示す目に見える配置所有していません。

今偏波、電界を示す実験を説明しましょう力します。このデモで使用する一般的なアイテムは、ジュースの空き缶、アクリル棒、毛皮、棒の周りをラップするのに十分な大きさの部分と紙のストリップ。

場所空のソーダはその側にことができます、それを自由に巻けます。ロッド周りの毛の部分を折り返すし、エンド ツー エンド 10 回以上こする。ロッドをこすり、あなたは物理的にロッドに毛皮から電子を転送する、負の電荷を分極を誘導するために必要な電界を生成することができますロッドを作るします。

ジュースの空き缶に帯電棒を近づけるとロッド方向をロールバックするにつれてそれが引力を観察します。ロッドの電界がソーダを偏波を誘導するためです。標識の棒のそれらの反対の料金は、同じ符号の電荷は、ロッドからプッシュしながらロッドに近い運ばれます。これは、結果が引力と斥力の両方の力を発揮するロッド。反対の電荷はロッドに近いので、これらはロッドへの正味の魅力的な力を生成する強力な力を経験します。

次に、紙のストリップに近い帯電ロッドを持参し、ロッドに向かって曲がり紙を観察します。魅力的な動作は、ロッド方向をロールバックすることができますソーダを引き起こした同じ誘起分極効果の結果です。興味深いことに、にもかかわらず、ソーダができるよりもはるかに少ない重さがあって、紙の全体的な動きは比較的小さいです。これは、多くの弱い分極をもたらすことができますの導電性の性質と比較して紙の絶縁の性質のためです。

どこにオブジェクトまたは電圧の差が料金に存在するので、電場がユビキタスです。

電気や電流、高導電性ワイヤを介して料金を押して電気の力フィールドの結果です。大規模な住宅および商業建物に発電所から電気の配線します。小さい規模で回路を電気電流の通過は、LED、電球、ファン、またはコンピューターなどの電子デバイスの動作に不可欠です。

質量吸収スペクトル法では、電気フィールドを使用して、サンプルの化学の内容を決定します。この機器を最初イオン化された分子が電子ビーム、プラズマ、レーザーなどの強力な力のアプリケーションによって生成されます。これらの満たされた分子は、電界を交互のセットを介して渡されます。フィールドは、効果的な分離につながる彼らの軌道を変える分子に電気の力を発揮します。

ちょうど電界にゼウスの導入を見た。今マグニチュードと電場、電界線を可視化する方法とどのように偏光を電界によって誘起することの方向を支配する原理を理解する必要があります。見てくれてありがとう!

Results

1.4 の手順の粉は図 3に示すように、電極間のライン パターンを形成する開始されます。粉末は極性、ラインを電界にためにです。また、フィールドが強い、すなわち正の電極に近い方が集まってください。油は非常に粘性ので粉末がかなり移動しないでください。粉体のパターンは、「電界線」を可視化します。

Figure 3
図 3:粉、油、図 1に対応する荷電電極による電場への位置合わせによって形成される代表的なラインのパターンを示す図。線パターンは電界線を反映し、電界を可視化します。

ステップ 1.7、(「+」の電極製) センター リング外の粉体は、図 4に示すように、ラジアル ライン パターンを形成します。これは、内側のリング外に電界が存在することを示します。ただし、内部リングの内側の粉はランダム表示されます、一直線に並べられたパターンを形成していません。これは、リングの内側の電場がほぼゼロであるという事実を反映しています。

Figure 4
図 4:図 2に対応する荷電の電極によって生成される電場に応答で油に粉末によるフォームの代表的なライン パターンを示しています。線パターンは電界線を反映し、電界を可視化します。内部リングの内側の粉がランダムに分布 (ライン パターンの欠如) では、整列の不足または電界が十分な強度の不足を反映しています。

2.3 と 2.4 の手順については、両方ソーダでき、紙のストリップによって魅了される帯電ロッドに向かって移動します。これは、両方ソーダことができるので、紙のストリップは、電界印加による偏波、電界が強いロッドに近い弱いロッドから離して。したがって、ロッドに近い位置に電場に引かれた料金はロッドから押されてそれらの反対の電荷に比べて強い力によって引っ張られます。これはロッドへの正味の魅力的な力を生成します。

Applications and Summary

この実験では、電界は電界線に合わせたオイルで電化の粉末を使用して可視化が。また、ロッド、すなわち電場が強い電界のソースに対する分極性オブジェクトを引き付けるために電荷の棒によって作られる磁場の影響を示した。

電気フィールドがユビキタスです。料金や電圧 (電気潜在性) の違いがあるたびに電気のフィールドがあります。電気フィールドは、任意の回路の電流をフォームにプッシュ料金 (通常電子) に力を提供します。電場には乾燥した気候で (通常は冬時間) 火花の我々 が参照してくださいし、経験を担当です。フィールドは、空気 (として知られている"電気"内訳、電界が十分に強いだけでなく空気の分子を分極するが、空気の分子から電子をはぎ取るまで) の過渡電気伝導を引き起こす可能性が特定のアクション (たとえば、それを削除するときに、セーターをこすり) は、料金およびこうして十分に強い電界の十分な量を生成するとき、火花を引き起こす。

実験の著者は、材料準備のためゲイリー ハドソンとビデオの手順を示すため Chuanhsun Li の支援を認めています。

1. 電界線を可視化します。

  1. (ハンドヘルド静的 Genecon van der グラフ ジェネレーターなど) 静電気発電機、同心円構成に配置された電極のペアと互いに平行に配置された電極のペアを取得します。
  2. シャーレまたは観測戦車を入手、(キャスター オイル) などオイルでそれを埋めるし、油で (セモリナ粉の種) など電化/分極性粉末を追加します。
  3. 電極観察タンク ホルダーに平行な電極構成をロードします。「−」(地面) に 2 つ電極を接続し、、"+"(有料) 静電気発電機の端子それぞれ、図 1のように。ケーブルのクランプで接続が可能します。

Figure 1

図 1:用発電機、その他 (オイル漬) 線の両端に接続されている 2 つの銅線の模式図を示す図は、平行電極のペアに接続されます。

  1. 正電極上料金が「+」端子に接続する発電機のクランクを回します。少なくとも 5 回転を確認します。粉体の行動を観察します。
  2. ケーブルを使用して直接短い「−」および「+」端末の充満を中和します。端末から電極を外します。
  3. 次に、ホルダーに同心円電極構成を読み込むし、図 2に示すように、電極を発電機の端子に再度接続します。粉末をランダムに皿に油をかき混ぜなさい。

Figure 2

図 2:用発電機、その他 (オイル漬) 線の両端に接続されている 2 つの銅線の模式図を示す図は、それぞれインナー リングとアウター リング状電極のペアに接続されます。

  1. (少なくとも 5 ターン) 発電機をクランク アップし電極を充電し、粉末皿の中の行動を観察します。

2 電場の効果

  1. ジュースの空き缶を入手し、横向き (のでそれを自由に巻けます) テーブルの上に置か
  2. アクリルの棒を入手します。それを充電する毛皮でこする。
  3. ジュースの空き缶に近いロッドをもたらす、ソーダ缶の応答を観察します。
  4. 紙の小さなストリップを引き裂くと荷電の棒にそれを持って、その行動を観察します。

電界は電気と電荷の相互作用を理解する基礎は、電気潜在性など密接に関連する重要な量です。

荷電オブジェクトは、電気フィールドを生成します。フィールドの大きさ、オブジェクト、およびオブジェクトからフィールドを測定距離の電荷の量に依存します。これらのフィールドは、また、他の近くの料金や興味深い現象を引き起こす物質に力を発揮します。

このビデオでまず我々 は電気フィールドに関連する基本概念を取り上げます、電場と料金とフィールドの材料に影響を与える力を勉強に役立つ実験を紹介します。最後に、我々 は彼らの利点に電界を使用するアプリケーションのいくつかが表示されます。

前述のように、課金オブジェクトは周囲の空間に電界を生成します。ガウスの法則に従って電界の大きさは、ソース間電荷量 'Q' に正比例とソースの充電から 'r' の距離の二乗に反比例します。'k'クーロンの定数です。したがって、ソース料金結果電界強度 2 倍の量が倍増。測定 2 倍に対し、距離は 4 回で電界強度を削減します。

課金オブジェクトによって生成される電場は、「電界線」と呼ばれる架空の線を使用して視覚化できます。これらの行は、フィールドの方向と大きさを視覚化するために描画した矢印のコレクションです。通常、磁力線は、肯定的なソース間電荷量から、否定ソース電荷に向かって送られます。

荷電オブジェクトによって作成されたフィールド行の合計数は、電荷の量を表し、フィールドの特定の場所で線の密度がその場所で大きさを表します。したがって、線は、ソースからより長い距離で離れてより多くの普及している荷電球近く密接に詰まります。

未知のソース電荷の電場の方向は、元担任の近くに試験電荷を配置し、試験電荷を抱きこまするか、ソース間電荷量から反発を観察することによって決まります。

'F' は、強制的にどの状態が電界強度及び試験電荷の電荷の量に正比例クーロンの法則によって与えられるこの力の大きさ。方向: 試験電荷が正の場合試験電荷に働く力の方向は電場と同じ。ただし、試験電荷が負の場合、力の方向は、ソース電荷の電界とは逆です。

電界は電気電位差、またはフィールドの方向の電圧ドロップも生成できます。この現象は、このコレクションの電気潜在的なビデオで詳細に説明します。逆に、電界が異なる電圧の 2 つの分離された導体への応用によっても生成されることに注意してくださいすることが重要です。この場合、フィールドの方向は、高い電圧から低い電圧を指します。

荷電オブジェクトに加えて、電界は電荷中性、銅線のような材料も影響します。すべての中立的な資料は巨大で、等しい肯定的なおよび負電荷量から成っています。電界は、したがってこれらの料金のそれぞれに力を発揮します。材料での大規模なコレクションの変位に終って。肯定的なおよび負電荷の効果的な分離につながるとこ「偏光」として知られています。

次のセクションでは、2 つの異なる電極構成への電圧の適用によって発生する電界の磁力線を可視化する方法を紹介します。そしてセクション以下に電気力の効果と紙を用いた分極現象が参照してください、私たち、毛皮、アクリルの棒、およびソーダ缶します。

デモは、静電気発電機、ハンドヘルドの静的な Genecon またはヴァン der グラフ ジェネレーターなどで構成され、同心円構成に配置された電極のペア、対の電極、互いとシャーレまたは観測戦車に平行に配置。

観測戦車は、粘性油、ヒマシ油、分極性粉、セモリナ粉の種などの約半分のグラムなどでいっぱいです。

負荷観測戦車は、その所有者にオイルとパウダーのエマルジョンに満ちています。次に、マウント プレート ホルダーに平行な電極構成。静電気発電機の正と負の端子に電極を接続するケーブルを使用して、します。

少なくとも 5 における発電機のクランクを回す 2 つの導体間の電位差を作成し、電気フィールドを確立する電源を入れます。追加された粉体は分極性、粉体の斑点は電界線と並ぶだすとゆっくりと。

次に、電荷を中和するために端子間ケーブルを接続することによって正と負の端子をショート直接。電荷放散するまで数秒を待って後、端末からショート ケーブルを外します。その後、ホルダーから電極板をアンマウントします。

今、マウント ホルダーに同心円電極構成を持つプレート。慎重にセッティングを圧延によって観測戦車の分極性の粉と油を混ぜます。

発電機をオンにし、2 つの導体間の電気フィールドを作成する少なくとも 5 回転をクランクします。この地域の電気のフィールド行がリングの中心に位置する点電荷の電界線と同様であることを示す放射状リング間粉を形成します。対照的に、内側の円の内で粉体をこの地域でかなりの電場が存在しないことを示す目に見える配置所有していません。

今偏波、電界を示す実験を説明しましょう力します。このデモで使用する一般的なアイテムは、ジュースの空き缶、アクリル棒、毛皮、棒の周りをラップするのに十分な大きさの部分と紙のストリップ。

場所空のソーダはその側にことができます、それを自由に巻けます。ロッド周りの毛の部分を折り返すし、エンド ツー エンド 10 回以上こする。ロッドをこすり、あなたは物理的にロッドに毛皮から電子を転送する、負の電荷を分極を誘導するために必要な電界を生成することができますロッドを作るします。

ジュースの空き缶に帯電棒を近づけるとロッド方向をロールバックするにつれてそれが引力を観察します。ロッドの電界がソーダを偏波を誘導するためです。標識の棒のそれらの反対の料金は、同じ符号の電荷は、ロッドからプッシュしながらロッドに近い運ばれます。これは、結果が引力と斥力の両方の力を発揮するロッド。反対の電荷はロッドに近いので、これらはロッドへの正味の魅力的な力を生成する強力な力を経験します。

次に、紙のストリップに近い帯電ロッドを持参し、ロッドに向かって曲がり紙を観察します。魅力的な動作は、ロッド方向をロールバックすることができますソーダを引き起こした同じ誘起分極効果の結果です。興味深いことに、にもかかわらず、ソーダができるよりもはるかに少ない重さがあって、紙の全体的な動きは比較的小さいです。これは、多くの弱い分極をもたらすことができますの導電性の性質と比較して紙の絶縁の性質のためです。

どこにオブジェクトまたは電圧の差が料金に存在するので、電場がユビキタスです。

電気や電流、高導電性ワイヤを介して料金を押して電気の力フィールドの結果です。大規模な住宅および商業建物に発電所から電気の配線します。小さい規模で回路を電気電流の通過は、LED、電球、ファン、またはコンピューターなどの電子デバイスの動作に不可欠です。

質量吸収スペクトル法では、電気フィールドを使用して、サンプルの化学の内容を決定します。この機器を最初イオン化された分子が電子ビーム、プラズマ、レーザーなどの強力な力のアプリケーションによって生成されます。これらの満たされた分子は、電界を交互のセットを介して渡されます。フィールドは、効果的な分離につながる彼らの軌道を変える分子に電気の力を発揮します。

ちょうど電界にゼウスの導入を見た。今マグニチュードと電場、電界線を可視化する方法とどのように偏光を電界によって誘起することの方向を支配する原理を理解する必要があります。見てくれてありがとう!

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