Overview
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Un campo elettrico è generato da un oggetto carico (indicato come carica sorgente) nello spazio intorno ad esso e rappresenta la capacità di esercitare forza elettrica su un altro oggetto carico (indicato come carica di prova). Rappresentato da un vettore in un dato punto dello spazio, il campo elettrico è la forza elettrica per unità di carica di prova posta in quel punto (la forza su una carica arbitraria sarebbe la carica volte il campo elettrico). Il campo elettrico è fondamentale per l'elettricità e gli effetti delle cariche, ed è anche strettamente correlato ad altre quantità importanti come la tensione elettrica.
Questo esperimento utilizzerà polveri elettrificate in un olio che si allinea con i campi elettrici prodotti da elettrodi caricati per visualizzare le linee del campo elettrico. Questo esperimento dimostrerà anche come un campo elettrico può indurre cariche e come le cariche rispondono al campo elettrico osservando l'effetto di un'asta carica su una lattina di soda vicina.
Principles
Un oggetto carico produce un campo elettrico nello spazio circostante. Ad esempio, secondo la legge di Gauss, una carica puntica Q situata all'origine produce un campo elettrico:
(Equazione 1)
in qualsiasi punto dello spazio con una distanza r dalla carica (all'origine r = 0), e la direzione del campo elettrico è lungo la direzione radiale (lontano dalla carica se Q è positivo, e verso la carica se Q è negativo). Un insieme di cariche produrrebbe un campo elettrico totale secondo il principio di sovrapposizione, vale a dire il campo elettrico totale è la somma vettoriale dei campi elettrici prodotti dalle singole cariche. Per una sfera uniformemente carica con carica totale Q, il campo elettrico prodotto al di fuori della sfera è lo stesso del campo elettrico (dato dall'equazione 1)a causa di una carica puntiare Q situata al centro della sfera, mentre il campo elettrico all'interno della sfera sarebbe zero.
Se si segue la direzione locale del campo elettrico per tracciare le linee del campo vettoriale, queste linee (la cui tangente riflette la direzione locale del campo elettrico e la densità delle linee riflette la forza del campo elettrico locale) sono conosciute come "linee del campo elettrico". Sono linee fittizie che aiutano a visualizzare la distribuzione e la direzione dei campi elettrici.
Un campo elettrico è strettamente correlato al potenziale elettrico. Un campo elettrico produrrebbe una potenziale caduta (o "caduta di tensione") lungo la direzione del campo. Al contrario, un modo conveniente per generare un campo elettrico è applicare una differenza di potenziale. Ad esempio, se due tensioni diverse vengono applicate su due conduttori separati (o una tensione diversa da zero applicata su un conduttore, mantenendo un altro conduttore "messo a terra" a tensione zero), viene generato un campo elettrico nello spazio tra i due conduttori che punta nella direzione dal conduttore di tensione più alta al conduttore di tensione inferiore.
Un campo elettrico (E) eserciterà una forza,
a pagamento (q). La direzione della forza è la stessa del campo elettrico per q positivo e opposta al campo elettrico per q negativo. Se un conduttore (come un metallo) contenente cariche mobili è posto in un campo elettrico, il campo elettrico spingerà le cariche positive "a valle" nella direzione del campo elettrico e tirerà le cariche negative (come gli elettroni) "a monte" opposte alla direzione del campo elettrico, fino a quando le cariche si accumulano al confine (superficie) del conduttore e non possono spostarsi ulteriormente. Ciò si traduce in una separazione di cariche negative e positive nel conduttore in un campo elettrico, un fenomeno noto anche come "polarizzazione" da parte del campo elettrico. Anche per gli isolatori in cui le cariche sono molto meno mobili di quelle in un conduttore, una parziale "polarizzazione" (dove le cariche negative e positive sono leggermente spostate) può verificarsi in un campo elettrico. Il campo elettrico cercherà di rendere lo spostamento dalle cariche negative a quelle positive allineate con la direzione del campo. Se il campo elettrico è spazialmente disomogeneo in modo tale che le forze sulle cariche positive e negative separate non si annullino, una forza netta verrà esercitata su un oggetto polarizzato.
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Procedure
1. Visualizza le linee di campo elettrico
- Ottenere un generatore elettrostatico (come un Genecon statico portatile o un generatore van der Graff), una coppia di elettrodi disposti in una configurazione a cerchio concentrico e una coppia di elettrodi disposti parallelamente l'uno all'altro.
- Ottenere una capsula di Petri o un serbatoio di osservazione, riempirlo con olio (come l'olio di ricino) e aggiungere polveri elettrificate / polarizzabili (come i semi di semola) nell'olio.
- Caricare gli elettrodi con la configurazione dell'elettrodo parallelo sul supporto del serbatoio di osservazione. Collegare i due elettrodi ai terminali "−" (terra) e "+" (carica) del generatore elettrostatico, rispettivamente, come in Figura 1. Il collegamento può essere effettuato da cavi con morsetti.
Figura 1: Diagramma che mostra gli schemi di due fili di rame collegati a un generatore elettrico, le altre estremità (immerse in un olio) dei fili sono collegate a una coppia di elettrodi paralleli.
- Ruotare la manovella del generatore che metterà cariche positive sull'elettrodo collegato al terminale "+". Fai almeno 5 giri completi. Osservare il comportamento delle polveri.
- Utilizzare un cavo per cortocircuitare direttamente i terminali "−" e "+" per neutralizzare le cariche. Scollegare l'elettrodo dai terminali.
- Quindi, caricare la configurazione dell'elettrodo a cerchio concentrico sul supporto e collegare nuovamente gli elettrodi ai terminali del generatore, come mostrato nella Figura 2. Mescolare l'olio nel piatto per randomizzare le polveri.
Figura 2: Diagramma che mostra gli schemi di due fili di rame collegati a un generatore elettrico, le altre estremità (immerse in un olio) dei fili sono collegate a una coppia di elettrodi a forma rispettivamente di anello interno e anello esterno.
- Aziona il generatore (almeno 5 giri) e carica gli elettrodi e osserva il comportamento delle polveri nel piatto.
2. Effetto del campo elettrico
- Procuratevi una lattina di soda vuota e appoggiatela su un fianco (in modo che possa rotolare liberamente) su un tavolo
- Ottenere un'asta acrilica; strofinarlo con la pelliccia per caricarlo.
- Avvicinare l'asta alla lattina di soda vuota e osservare la risposta della lattina di soda.
- Strappare una piccola striscia di carta e portarla all'asta carica, osservarne il comportamento.
Il campo elettrico è fondamentale per comprendere l'elettricità e le interazioni carica-carica ed è strettamente correlato a quantità importanti come il potenziale elettrico.
Qualsiasi oggetto carico genera un campo elettrico. La grandezza del campo dipende dalla quantità di carica sull'oggetto e dalla distanza dall'oggetto in cui viene misurato il campo. Questi campi esercitano anche una forza su altre cariche o materiali vicini causando fenomeni interessanti.
In questo video, prima rivisiteremo i concetti di base relativi ai campi elettrici, e poi illustreremo un esperimento che aiuta a studiare i campi elettrici e le forze che impattano cariche e materiali in un campo. Infine, vedremo un paio di applicazioni che utilizzano i campi elettrici a loro vantaggio.
Come accennato in precedenza, un oggetto carico produce un campo elettrico nello spazio circostante. Usando la legge di Gauss, si può dimostrare che la grandezza del campo elettrico è linearmente proporzionale alla carica sorgente 'Q' e inversamente proporzionale al quadrato della distanza 'r' dalla carica sorgente; e 'k' è la costante di Coulomb. Pertanto, raddoppiare la quantità di carica sorgente si traduce in un doppio dell'intensità del campo. Mentre raddoppiare la distanza di misurazione riduce l'intensità del campo di quattro volte.
Il campo elettrico prodotto da un oggetto carico può essere visualizzato utilizzando linee fittizie chiamate "linee di campo elettrico". Queste linee sono una raccolta di frecce disegnate per aiutare a visualizzare sia la grandezza che la direzione del campo. Tipicamente, le linee di campo sono dirette lontano da una carica sorgente positiva e verso una carica sorgente negativa.
Il numero totale di linee di campo prodotte da un oggetto carico rappresenta la quantità della carica, mentre la densità delle linee in una particolare posizione nel campo denota la magnitudine in quella posizione. Pertanto, le linee sono strettamente impacchettate vicino a una sfera carica, mentre sono più distanti a una distanza maggiore dalla sorgente .
La direzione del campo elettrico di una carica di sorgente sconosciuta viene determinata posizionando una carica di prova nelle vicinanze della carica della sorgente e osservando se la carica di prova viene attratta o respinta dalla carica sorgente.
L'entità di questa forza 'F' è data dalla legge di Coulomb, che afferma che la forza è linearmente proporzionale all'intensità del campo elettrico e alla quantità di carica sulla carica di prova. Per la direzione: se la carica di prova è positiva, la direzione della forza sulla carica di prova è la stessa del campo elettrico. Tuttavia, se la carica di prova è negativa, la direzione della forza è opposta a quella del campo elettrico della carica sorgente.
I campi elettrici possono anche produrre una differenza di potenziale elettrico, o una caduta di tensione, lungo la direzione del campo. Questo fenomeno è discusso in dettaglio nel video Electric Potential di questa collezione. Al contrario, è importante notare che i campi elettrici sono generati anche dall'applicazione di tensioni diverse a due conduttori separati. In questo caso, la direzione del campo punta dalla tensione più alta alla tensione più bassa.
Oltre agli oggetti carichi, i campi elettrici influenzano anche i materiali che sono neutri di carica, come il filo di rame. Tutti i materiali neutri sono costituiti da un'enorme e uguale quantità di cariche positive e negative. I campi elettrici esercitano quindi una forza su ciascuna di queste cariche; con conseguente spostamento di grandi raccolte di carica nel materiale. Ciò può comportare un'efficace separazione delle cariche positive e negative ed è noto come "polarizzazione".
Nella prossima sezione, vedremo come visualizzare le linee di campo del campo elettrico generato dall'applicazione di tensioni a due diverse configurazioni di elettrodi. E nella sezione seguente vedremo l'effetto delle forze elettriche e il fenomeno della polarizzazione usando carta, pelliccia, un'asta acrilica e una lattina di soda.
La dimostrazione consiste in un generatore elettrostatico, come un Genecon statico portatile o un generatore van der Graff, una coppia di elettrodi disposti in una configurazione a cerchio concentrico, una coppia di elettrodi disposti parallelamente tra loro e una capsula di Petri o un serbatoio di osservazione.
Il serbatoio di osservazione è riempito con un olio viscoso, come l'olio di ricino, e circa mezzo grammo di polvere polarizzabile, come i semi di semola.
Caricare il serbatoio di osservazione riempito con l'emulsione di olio e polvere nel suo supporto. Quindi, montare la piastra con la configurazione dell'elettrodo parallelo sul supporto. Utilizzando i cavi, collegare gli elettrodi ai terminali negativi e positivi del generatore elettrostatico.
Ruotare la manovella del generatore di almeno 5 giri completi creando così una differenza di potenziale tra i due conduttori e stabilendo un campo elettrico. Poiché la polvere aggiunta è polarizzabile, i granelli di polvere inizieranno lentamente ad allinearsi con le linee del campo elettrico.
Successivamente, al fine di neutralizzare le cariche, cortocircuitare direttamente i terminali positivi e negativi collegando un cavo tra i terminali. Dopo aver atteso alcuni secondi che la carica si dissipassi, scollegare il cavo di cortocircuito dai terminali. Quindi, smontare la piastra dell'elettrodo dal supporto.
Ora, montare la piastra con la configurazione dell'elettrodo a cerchio concentrico sul supporto. Mescolare l'olio e la polvere polarizzabile nel serbatoio di osservazione arrotolando accuratamente il set-up.
Accendere il generatore e azionarlo almeno 5 giri completi per creare un campo elettrico tra i due anelli conduttori. La polvere tra gli anelli formerà linee radianti che indicano che le linee del campo elettrico in questa regione sono simili alle linee del campo elettrico di una carica puntiforme situata al centro degli anelli. Al contrario, la polvere all'interno del cerchio interno non possiede un allineamento distinguibile che indica che non esiste un campo elettrico apprezzabile in questa regione.
Ora discutiamo di un esperimento che dimostra la polarizzazione e le forze del campo elettrico. Gli oggetti comuni utilizzati in questa dimostrazione sono una lattina di soda vuota, un'asta acrilica, un pezzo di pelliccia abbastanza grande da avvolgere l'asta e una striscia di carta.
Posiziona la lattina di soda vuota su un lato in modo che possa rotolare liberamente. Avvolgere il pezzo di pelliccia attorno all'asta e strofinarlo da un capo all'altro almeno 10 volte. Strofinando l'asta, si trasferiscono fisicamente elettroni dalla pelliccia all'asta e si fa caricare negativamente l'asta permettendole di generare il campo elettrico necessario per indurre una polarizzazione.
Porta l'asta carica vicino alla lattina di soda vuota e osserva le forze attrattive sulla lattina mentre inizia a rotolare verso l'asta. Questo perché il campo elettrico dell'asta induce una polarizzazione sulla lattina di soda. Le cariche opposte nel segno a quelle sull'asta vengono avvicinate all'asta, mentre le cariche dello stesso segno vengono spinte lontano dall'asta. Ciò si traduce in un'asta che esercita forze sia attraenti che repulsive sulla lattina. Poiché le cariche opposte sono più vicine all'asta, queste sperimentano una forza più forte, che produce una forza attrattiva netta verso l'asta.
Quindi, portare l'asta carica vicino alla striscia di carta e osservare la carta piegarsi verso l'asta. Il comportamento attraente è il risultato dello stesso effetto di polarizzazione indotta che ha causato il rotolamento della lattina di soda verso l'asta. È interessante notare che, nonostante pesi molto meno della lattina di soda, il movimento complessivo della carta è relativamente piccolo. Ciò è dovuto alla natura isolante della carta rispetto alla natura conduttiva della lattina, che porta a una polarizzazione molto più debole.
I campi elettrici sono onnipresenti poiché esistono ovunque ci siano oggetti carichi o differenze di tensione.
L'elettricità, o corrente elettrica, è il risultato di campi di forza elettrici che spingono la carica attraverso fili altamente conduttivi. Su larga scala, ciò comporta l'instradamento dell'elettricità dalle centrali elettriche agli edifici residenziali e commerciali. Su scala più piccola, il passaggio di corrente elettrica attraverso un circuito è fondamentale per il funzionamento di qualsiasi dispositivo elettronico, come un LED, una lampadina, un ventilatore o un computer.
La spettrometria di massa utilizza campi elettrici per determinare il contenuto chimico di un campione. In questa apparecchiatura, in primo luogo le molecole ionizzate sono generate dall'applicazione di forze forti, come un fascio di elettroni, plasma o laser. Queste molecole cariche vengono quindi passate attraverso una serie di campi elettrici alternati. Il campo esercita una forza elettrica sulle molecole, che altera la loro traiettoria, portando a una separazione efficace.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE a Electric Fields. Ora dovresti capire i principi che governano la grandezza e la direzione dei campi elettrici, come visualizzare le linee del campo elettrico e come la polarizzazione può essere indotta da un campo elettrico. Grazie per l'attenzione!
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Results
Per il passaggio 1.4, la polvere inizierà a formare schemi di linee tra gli elettrodi, come mostrato nella Figura 3. Questo perché le polveri sono polarizzate e si allineeranno con il campo elettrico. Sono anche attratti verso dove il campo è più forte, vale a dire più vicino all'elettrodo positivo. Le polveri non si muovono sensibilmente perché l'olio è molto viscoso. Il modello delle polveri visualizza le "linee di campo elettrico".
Figura 3: Diagramma che mostra modelli di linee rappresentativi che possono essere formati dalla polvere, nell'olio, allineandosi al campo elettrico prodotto dagli elettrodi carichi corrispondenti alla Figura 1. I modelli di linee riflettono le linee del campo elettrico e visualizzano il campo elettrico.
Per il passo 1.7, la polvere all'esterno dell'anello centrale (prodotta dall'elettrodo "+") forma un modello di linea radiale, come mostrato nella Figura 4. Ciò indica che esiste un campo elettrico al di fuori dell'anello interno. Tuttavia, la polvere all'interno dell'anello interno appare casuale e non forma modelli allineati. Ciò riflette il fatto che il campo elettrico all'interno dell'anello è approssimativamente zero.
Figura 4: Diagramma che mostra i modelli di linee rappresentativi che si formano dalla polvere nell'olio in risposta al campo elettrico prodotto dagli elettrodi caricati corrispondenti alla Figura 2. I modelli di linee riflettono le linee del campo elettrico e visualizzano il campo elettrico. La distribuzione casuale (mancanza di schemi di linee) della polvere all'interno dell'anello interno riflette la mancanza di allineamento o la mancanza di forza sufficiente dei campi elettrici lì.
Per i passaggi 2.3 e 2.4, sia la lattina di soda che la striscia di carta saranno attratte e si sposteranno verso l'asta carica. Questo perché sia la lattina di soda che la striscia di carta saranno polarizzate dal campo elettrico e il campo elettrico è più forte più vicino all'asta e più debole più lontano dall'asta. Pertanto, le cariche tirate dal campo elettrico per essere più vicine all'asta, sono tirate da una forza più forte rispetto a quelle opposte spinte lontano dall'asta. Questo produce una forza attrattiva netta verso l'asta.
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Applications and Summary
In questo esperimento, abbiamo visualizzato campi elettrici utilizzando polveri elettrificate in un olio che si allineano con le linee del campo elettrico. Abbiamo anche dimostrato l'effetto di un campo elettrico prodotto da un'asta di carica per attirare oggetti polarizzabili verso l'asta, cioèla fonte del campo elettrico in cui il campo elettrico è più forte.
I campi elettrici sono onnipresenti. Ci sono campi elettrici ogni volta che ci sono cariche o differenze di tensione (potenziale elettrico). I campi elettrici forniscono la forza per spingere le cariche (di solito elettroni) per formare corrente elettrica in qualsiasi circuito. I campi elettrici sono anche responsabili delle scintille che vediamo e sperimentiamo nel clima secco (in genere nel periodo invernale). Quando una certa azione (ad esempio, strofinare un maglione quando lo si rimuove) produce una quantità sufficiente di cariche e quindi un campo elettrico sufficientemente forte, il campo può causare una conduzione elettrica transitoria nell'aria (nota anche come "rottura elettrica", dove il campo elettrico è abbastanza forte non solo da polarizzare le molecole d'aria, ma anche da strappare elettroni dalle molecole d'aria), e causare scintille.
L'autore dell'esperimento riconosce l'assistenza di Gary Hudson per la preparazione del materiale e Chuanhsun Li per aver dimostrato i passaggi del video.
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