Overview
מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN
שדה חשמלי נוצר על ידי אובייקט טעון (המכונה מטען המקור) בחלל שסביבו, ומייצג את היכולת להפעיל כוח חשמלי על עצם טעון אחר (המכונה מטען הבדיקה). המיוצג על ידי וקטור בכל נקודה נתונה בחלל, השדה החשמלי הוא הכוח החשמלי לכל מטען בדיקה יחידה שהוצב בשלב זה (הכוח במטען שרירותי יהיה המטען כפול השדה החשמלי). השדה החשמלי הוא היסוד לחשמל ולהשפעות של מטענים, והוא קשור קשר הדוק גם לכמויות חשובות אחרות כגון מתח חשמלי.
ניסוי זה ישתמש אבקות חשמליות בשמן בשורה עם שדות חשמליים המיוצרים על ידי אלקטרודות טעונות לדמיין את קווי השדה החשמליים. ניסוי זה גם מדגים כיצד שדה חשמלי יכול לגרום למטענים וכיצד מטענים מגיבים לשדה החשמלי על ידי התבוננות בהשפעת מוט טעון על פחית סודה סמוכה.
Principles
עצם טעון מייצר שדה חשמלי בחלל שמסביב. לדוגמה, על פי חוק גאוס, תשלום נקודתי Q הממוקם במקור מייצר שדה חשמלי:
(משוואה 1)
בכל נקודה בחלל עם מרחק r מהמטען (במקור r = 0), וכיוון השדה החשמלי הוא לאורך הכיוון הרדיאלי (הרחק מהמטען אם Q חיובי, ולקראת המטען אם Q הוא שלילי). אוסף מטענים יפיק שדה חשמלי כולל על פי עיקרון הסופרפוזיציה, כלומר השדה החשמלי הכולל הוא הסכום הווקטורי של השדות החשמליים המיוצרים על ידי מטענים בודדים. עבור כדור טעון באופן אחיד עם מטען Q כולל, השדה החשמלי המיוצר מחוץ לספירה זהה לשדה החשמלי (שניתן על ידי משוואה 1) בשל מטען Q דמוי נקודה הממוקם במרכז הכדור, ואילו השדה החשמלי בתוך הכדור יהיה אפס.
אם עוקבים אחר הכיוון המקומי של השדה החשמלי כדי להתחקות אחר קווי השדה הווקטוריים, קווים אלה (שהטנגנס שלהם משקף את הכיוון המקומי של השדה החשמלי, וצפיפות הקווים משקפת את חוזק השדה החשמלי המקומי) ידועים בשם "קווי שדה חשמליים". הם קווים פיקטיביים המסייעים לדמיין את ההפצה והכיוון של שדות חשמליים.
שדה חשמלי קשור קשר הדוק לפוטנציאל החשמלי. שדה חשמלי ייצור ירידה פוטנציאלית (או "ירידת מתח") לאורך כיוון השדה. לעומת זאת, דרך נוחה ליצור שדה חשמלי היא ליישם הבדל פוטנציאלי. לדוגמה, אם שני מתחים שונים מוחלים על שני מוליכים מופרדים (או מתח אפסי המופעל על מוליך, תוך שמירה על מוליך אחר "מקורקע" במתח אפס), אזי נוצר שדה חשמלי בחלל שבין שני המוליכים המצביעים בכיוון ממוליך המתח הגבוה למוליך המתח התחתון.
שדה חשמלי (E) יפעיל כוח,
על חיוב (ש). כיוון הכוח זהה לשדה החשמלי ל- q חיובי, ומול השדה החשמלי עבור q שלילי. אם מוליך (כגון מתכת) המכיל מטענים ניידים ממוקם בשדה חשמלי, השדה החשמלי ידחוף מטענים חיוביים "במורד הזרם" לכיוון השדה החשמלי וימשוך מטענים שליליים (כגון אלקטרונים) "במעלה הזרם" מול כיוון השדה החשמלי, עד שהמטענים יצטברו בגבול (פני השטח) של המנצח ולא יוכלו לנוע הלאה. התוצאה היא הפרדה של מטענים שליליים וחיוביים במוליך בשדה חשמלי, תופעה הידועה גם בשם "קיטוב" על ידי השדה החשמלי. אפילו עבור מבודדים שבהם המטענים הרבה פחות ניידים מאלה של מוליך, "קיטוב" חלקי (שבו המטענים השליליים והחיוביים נעקרו מעט) יכול להתרחש בשדה חשמלי. השדה החשמלי ינסה להפוך את ההעתקה מהשלילי למטענים החיוביים התואמים לכיוון השדה. אם השדה החשמלי אינו הומוגני באופן מרחבי, כך שהכוחות על המטענים החיוביים והשליליים המופרדים אינם מתבטלים, יופעל כוח נטו על אובייקט מקוטב.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. דמיינו קווי שדה חשמליים
- השג גנרטור אלקטרוסטטי (כגון ג'נקון סטטי כף יד או מחולל ואן דר גראף), זוג אלקטרודות המסודרות בתצורת מעגל קונצנטרי, וזוג אלקטרודות המסודרות במקביל זו לזו.
- להשיג צלחת פטרי או מיכל תצפית, למלא אותו בשמן (כגון שמן קיק), ולהוסיף אבקות מחושמלות / מקוטבות (כגון זרעי סולת) בשמן.
- טען את האלקטרודות עם תצורת האלקטרודה המקבילה על מחזיק מיכל התצפית. חברו את שתי האלקטרודות לטרמינלים "−" (קרקע) ו-"+" (טעון) של הגנרטור האלקטרוסטטי, בהתאמה, כמו באיור 1. החיבור יכול להיעשות על ידי כבלים עם מלחציים.
איור 1: תרשים המציג את השרטוטים של שני חוטי נחושת המחוברים לגנרטור חשמלי, הקצוות האחרים (טבולים בשמן) של החוטים מחוברים לזוג אלקטרודות מקבילות.
- הפעל את הארכובה של הגנרטור אשר ישים מטענים חיוביים על האלקטרודה המחוברת למסוף "+". לעשות לפחות 5 סיבובים מלאים. שימו לב להתנהגות האבקות.
- השתמש בכבל כדי לקצר ישירות את מסופי "−" ו- "+" כדי לנטרל את המטענים. נתק את האלקטרודה מהטרמינלים.
- לאחר מכן, העמיסו את תצורת האלקטרודה המעגלית הקונצנטרית על המחזיק וחברו שוב את האלקטרודות למסופים של הגנרטור, כפי שמוצג באיור 2. מערבבים את השמן בצלחת כדי אקראי את האבקות.
איור 2: תרשים המציג את השרטוטים של שני חוטי נחושת המחוברים לגנרטור חשמלי, הקצוות האחרים (טבולים בשמן) של החוטים מחוברים לזוג אלקטרודות בצורת טבעת פנימית וטבעת חיצונית בהתאמה.
- סובבו את הגנרטור (לפחות 5 סיבובים) וטענו את האלקטרודות, והתבוננו בהתנהגות האבקות בצלחת.
2. השפעת שדה חשמלי
- להשיג פחית סודה ריקה ולהניח אותו על צידו (כך שהוא יכול להתגלגל בחופשיות) על שולחן
- להשיג מוט אקריל; לשפשף אותו עם פרווה כדי לטעון אותו.
- קרב את המוט לפחית הסודה הריקה, ושים לב לתגובת פחית הסודה.
- לקרוע רצועה קטנה של נייר ולהביא אותו מוט טעון, להתבונן בהתנהגותו.
השדה החשמלי הוא מהותי להבנת אינטראקציות חשמל וטען-טעינה והוא קשור קשר הדוק לכמויות חשובות כגון פוטנציאל חשמלי.
כל אובייקט טעון יוצר שדה חשמלי. גודל השדה תלוי בכמות הטעינה באובייקט ובמרחק מהאובייקט שבו נמדד השדה. שדות אלה מפעילים כוח גם על מטענים או חומרים סמוכים אחרים הגורמים לתופעות מעניינות.
בסרטון זה נבחן תחילה את מושגי היסוד הקשורים לשדות חשמליים, ולאחר מכן נמחיש ניסוי המסייע בחקר שדות חשמליים והכוחות המשפיעים על מטענים וחומרים בתחום. לבסוף, נראה כמה יישומים המשתמשים בשדות חשמליים לטובתם.
כאמור, עצם טעון מייצר שדה חשמלי בחלל שמסביב. באמצעות החוק של גאוס, ניתן להוכיח כי גודל השדה החשמלי הוא ליניארי פרופורציונלי למטען המקור 'Q' ומידתי הפוך לריבוע המרחק 'r' ממטען המקור; ו-k הוא הקבוע של הקולון. לכן, הכפלת כמות מטען המקור גורמת להכפלת כוח השדה. בעוד שהכפלת מרחק המדידה מפחיתה את כוח השדה פי ארבעה.
ניתן לדמיין את השדה החשמלי המיוצר על ידי אובייקט טעון באמצעות קווים פיקטיביים הנקראים "קווי שדה חשמליים". קווים אלה הם אוסף של חצים שצוירו כדי לסייע בהדמיה הן בגודל והן בכיוון השדה. בדרך כלל, קווי שדה מופנים הרחק ממטען מקור חיובי ולכיוון מטען מקור שלילי.
המספר הכולל של קווי שדה המיוצרים על-ידי אובייקט טעון מייצג את כמות המטען, בעוד שצפיפות השורות במיקום מסוים בשדה מציינת את הגודל במיקום זה. לכן, הקווים ארוזים מקרוב ליד כדור טעון, בעוד הם מפוזרים יותר זה מזה במרחק גדול יותר מהמקור .
כיוון השדה החשמלי של מטען מקור לא ידוע נקבע על ידי הצבת מטען בדיקה בסביבת מטען המקור, והתבוננות אם מטען הבדיקה נמשך לכיוון או דוחה את המטען המקור.
גודלו של כוח זה 'F' ניתן על ידי החוק של קולון, הקובע כי הכוח הוא ליניארי פרופורציונלי לכוח השדה החשמלי וכמות המטען במבחן הבדיקה. לכיוון: אם מטען הבדיקה חיובי, כיוון הכוח במטען הבדיקה זהה לשדה החשמלי. עם זאת, אם מטען הבדיקה שלילי, כיוון הכוח הוא הפוך מזה של השדה החשמלי של מטען המקור.
שדות חשמליים יכולים גם לייצר הבדל פוטנציאלי חשמלי, או ירידת מתח, לאורך כיוון השדה. תופעה זו נידונה בפירוט בסרטון הפוטנציאל החשמלי של אוסף זה. לעומת זאת, חשוב לציין כי שדות חשמליים נוצרים גם על ידי יישום מתחים שונים לשני מוליכים מופרדים. במקרה זה, כיוון השדה מצביע מהמתח הגבוה יותר למתח התחתון.
בנוסף לחפצים טעונים, שדות חשמליים משפיעים גם על חומרים ניטרליים לטעינה, כמו חוט נחושת. כל החומרים הניטרליים מורכבים מכמות עצומה ושוויונית של חיובים חיוביים ושליליים. שדות חשמליים מפעילים אפוא כוח על כל אחד מהמטענים הללו; וכתוצאה מכך עקירה של גביות גדולות של תשלום בחומר. זה יכול לגרום להפרדה יעילה של חיובים חיוביים ושליליים ומכונה "קיטוב".
בחלק הבא נראה כיצד לדמיין קווי שדה של השדה החשמלי הנוצרים על ידי יישום מתחים לשתי תצורות אלקטרודה שונות. ובקטע הבא נראה את ההשפעה של כוחות חשמליים ואת תופעת הקיטוב באמצעות נייר, פרווה, מוט אקריל, ופחית סודה.
ההדגמה מורכבת מגנרטור אלקטרוסטטי, כגון ג'נקון סטטי כף יד או מחולל ואן דר גראף, זוג אלקטרודות המסודרות בתצורת מעגל קונצנטרי, זוג אלקטרודות המסודרות במקביל זו לזו, וצלחת פטרי או טנק תצפית.
מיכל התצפית מלא בשמן צמיג, כמו שמן קיק, וכמחצית גרם של אבקה מקוטבת, כגון זרעי סולת.
טען את מיכל התצפית מלא באמולסיביות שמן ואבקה למחזיק שלו. לאחר מכן, הר את הצלחת עם תצורת האלקטרודה המקבילה על המחזיק. באמצעות כבלים, חבר את האלקטרודות למסופים השליליים והחיוביים של הגנרטור האלקטרוסטטי.
סובבו את הארכובה של הגנרטור לפחות 5 סיבובים מלאים ובכך יוצרים הבדל פוטנציאלי בין שני המנצחים ומקימים שדה חשמלי. מכיוון שהאבקה הנוספות היא מקוטבת, כתמי האבקה יתחילו לאט לאט להתיישר עם קווי השדה החשמליים.
לאחר מכן, על מנת לנטרל את המטענים, קצר ישירות את המסופים החיוביים והשליליים על ידי חיבור כבל בין המסופים. לאחר המתנה של מספר שניות עד שהמטען יתפוגג, נתק את כבל השורט מהטרמינלים. לאחר מכן, בטל את טעינת צלחת האלקטרודה מהמחזיק.
עכשיו, לעלות על הצלחת עם תצורת אלקטרודה מעגל קונצנטרי על המחזיק. מערבבים את השמן והאבקה הקוטבית במיכל התצפית על ידי גלגול זהיר של ההקמה.
הפעל את הגנרטור וסובב אותו לפחות 5 סיבובים מלאים כדי ליצור שדה חשמלי בין שתי טבעות המנצח. האבקה בין הטבעות תיצור קווים מקרינים המציינים כי קווי השדה החשמליים באזור זה דומים לקווי השדה החשמליים של מטען נקודה הממוקם במרכז הטבעות. לעומת זאת, האבקה בתוך המעגל הפנימי אינה בעלת יישור מובחן המציין כי לא קיים שדה חשמלי ניכר באזור זה.
עכשיו בואו נדבר על ניסוי שמדגים קיטוב וכוחות שדה חשמליים. הפריטים הנפוצים המשמשים בהדגמה זו הם פחית סודה ריקה, מוט אקרילי, חתיכת פרווה גדולה מספיק כדי לעטוף את המוט, ורצועה של נייר.
מניחים את פחית הסודה הריקה על צידה כך שהיא יכולה להתגלגל בחופשיות. עוטפים את חתיכת הפרווה סביב המוט ומשפשפים אותה מקצה לקצה לפחות 10 פעמים. על ידי שפשוף המוט, אתה מעביר פיזית אלקטרונים מהפרווה למוט ולהפוך את המוט טעון שלילית המאפשר לו ליצור את השדה החשמלי הדרוש כדי לגרום לקיטוב.
קרב את המוט הטעון לפחית הסודה הריקה והתבונן בכוחות האטרקטיביים על הפחית כשהוא מתחיל להתגלגל לכיוון המוט. הסיבה לכך היא שהשדה החשמלי של המוט מהווה קיטוב בפחית הסודה. מטענים ממול בסימן לאלה על המוט מתקרבים למוט, בעוד חיובים של אותו שלט נדחפים הרחק מהמוט. התוצאה היא המוט מפעיל כוחות אטרקטיביים ודוחים על הפחית. מכיוון שהמטענים ההפוכים קרובים יותר למוט, אלה חווים כוח חזק יותר, המייצר כוח אטרקטיבי נטו לכיוון המוט.
לאחר מכן, קרב את המוט הטעון לרצועת הנייר והתבונן בנייר מתכופף לכיוון המוט. ההתנהגות האטרקטיבית היא תוצאה של אותו אפקט קיטוב המושרה שגרם לפחית הסודה להתגלגל לכיוון המוט. מעניין, למרות שקילה הרבה פחות מאשר סודה יכול, התנועה הכוללת של הנייר הוא קטן יחסית. זאת בשל אופיו המבודד של הנייר בהשוואה לאופי המוליך של הפחית, מה שמוביל לקיטוב חלש בהרבה.
שדות חשמליים נמצאים בכל מקום מכיוון שהם קיימים בכל מקום שבו יש אובייקטים טעונים או הבדלי מתח.
חשמל, או זרם חשמלי, הוא תוצאה של שדות כוח חשמלי דוחף מטען דרך חוטים מוליכים מאוד. בקנה מידה גדול, זה כרוך ניתוב של חשמל מתחנות כוח למבני מגורים ומסחר. בקנה מידה קטן יותר, המעבר של זרם חשמלי דרך מעגל הוא בסיסי להפעלת כל מכשיר אלקטרוני, כגון LED, נורה, מאוורר או מחשב.
ספקטרומטריית מסה משתמשת בשדות חשמליים כדי לקבוע את התוכן הכימי של מדגם. בציוד זה, תחילה המולקולות המיוננות נוצרות על ידי יישום של כוחות חזקים, כגון קרן אלקטרונים, פלזמה או לייזרים. מולקולות טעונות אלה מועברות לאחר מכן דרך קבוצה של שדות חשמליים מתחלפים. השדה מפעיל כוח חשמלי על המולקולות, אשר משנה את מסלולן, מה שמוביל להפרדה יעילה.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב ל"אלקטריק פילדס". כעת עליכם להבין את העקרונות השולטים בסדר הגודל והכיוון של שדות חשמליים, כיצד לדמיין קווי שדה חשמליים וכיצד ניתן לגרום לקיטוב על ידי שדה חשמלי. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
בשלב 1.4, האבקה תתחיל ליצור דפוסי קו בין האלקטרודות כפי שמוצג באיור 3. הסיבה לכך היא שהאבקות מקוטבות ויסתדרו בשורה עם השדה החשמלי. הם נמשכים גם למקום שבו השדה חזק יותר, כלומר קרוב יותר לאלקטרודה החיובית. האבקות אינן זזות באופן ניכר מכיוון שהשמן צמיג מאוד. תבנית האבקות מדמיינת את "קווי השדה החשמליים".
איור 3: דיאגרמה המציגה דפוסי קו מייצגים שעשויים להיווצר על ידי האבקה, בשמן, המתיישרת לשדה החשמלי המיוצר על ידי האלקטרודות הטעונות המתאימות לאיור 1. דפוסי הקו משקפים את קווי השדה החשמליים ומדמיינים את השדה החשמלי.
עבור שלב 1.7, האבקה מחוץ לטבעת המרכזית (המיוצרת על ידי האלקטרודה "+") יוצרת תבנית קו רדיאלית, כפי שמוצג באיור 4. זה מצביע על כך ששדה חשמלי קיים מחוץ לטבעת הפנימית. עם זאת, האבקה בתוך הטבעת הפנימית נראית אקראית ואינה יוצרה דפוסים מיושרים. זה משקף את העובדה שהשדה החשמלי בתוך הטבעת הוא בערך אפס.
איור 4: תרשים המציג דפוסי קו מייצגים שנוצרים על ידי האבקה בשמן בתגובה לשדה החשמלי המיוצר על ידי האלקטרודות הטעונות המתאימות לאיור 2. דפוסי הקו משקפים את קווי השדה החשמליים ומדמיינים את השדה החשמלי. התפלגות אקראית (חוסר דפוסי קו) של האבקה בתוך הטבעת הפנימית משקפת את חוסר היישור או חוסר כוח מספיק של שדות חשמליים שם.
עבור שלבים 2.3 ו-2.4, גם פחית הסודה וגם רצועת הנייר יימשכו ויעברו לכיוון המוט הטעון. הסיבה לכך היא שגם פחית הסודה וגם רצועת הנייר יהיו מקוטבות על ידי השדה החשמלי, והשדה החשמלי חזק יותר יותר למוט וחלש יותר הרחק מהמוט. לכן, המטענים שנמשכים על ידי השדה החשמלי כדי להיות קרובים יותר למוט, נמשכים על ידי כוח חזק יותר בהשוואה למטענים ההפוכים שנדחפו מהמוט. זה מייצר כוח אטרקטיבי נטו לכיוון המוט.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בניסוי זה, דמיינו שדות חשמליים באמצעות אבקות חשמליות בשמן המתיישר עם קווי השדה החשמליים. הדגמנו גם את ההשפעה של שדה חשמלי המיוצר על ידי מוט טעינה כדי למשוך חפצים מקוטבים לכיוון המוט, כלומר,מקור השדה החשמלי שבו השדה החשמלי חזק יותר.
שדות חשמליים נמצאים בכל מקום. ישנם שדות חשמליים בכל פעם שיש מטענים או הבדלי מתח (פוטנציאל חשמלי). שדות חשמליים מספקים את הכוח לדחוף מטענים (בדרך כלל אלקטרונים) כדי ליצור זרם חשמלי בכל מעגל. שדות חשמליים אחראים גם לניצוצות שאנו רואים וחווים באקלים יבש (בדרך כלל בחורף). כאשר פעולה מסוימת (לדוגמה, שפשוף סוודר בעת הסרתו) מייצרת כמות מספקת של מטענים ובכך שדה חשמלי חזק מספיק, השדה יכול לגרום להולכה חשמלית חולפת באוויר (הידוע גם בשם "התמוטטות חשמלית", שם השדה החשמלי חזק מספיק כדי לא רק לקוטב את מולקולות האוויר, אלא אפילו לקרוע אלקטרונים ממולקולות אוויר), ולגרום לניצוצות.
מחבר הניסוי מכיר בסיועו של גארי הדסון להכנת חומר וצ'ואנחסון לי על כך שהדגים את הצעדים בסרטון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
