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Overview

출처: 용피 첸 박사, 물리학 및 천문학학과, 과학 대학, 퍼듀 대학, 웨스트 라파예트, IN

전기장은 주변 공간에서 충전된 물체(소스 충전이라고 함)에 의해 생성되며, 다른 충전된 물체(시험 충전이라고 함)에 전력을 발휘하는 능력을 나타냅니다. 공간의 지정된 지점에서 벡터로 표현되는 전기장은 해당 지점에 배치된 단위 테스트 전하당 전기력입니다(임의 충전의 힘은 전기장 전하 시간일 것입니다). 전기장은 전기와 전하의 영향에 근본적이며 전기 전압과 같은 다른 중요한 수량과도 밀접한 관련이 있습니다.

이 실험은 전극에 의해 생성된 전기장과 일치하는 오일에 전기 분말을 사용하여 전기장 라인을 시각화합니다. 또한 이 실험에서는 전기장이 충전을 유도하는 방법과 충전이 인근 소다 캔에 대한 충전된 막대의 효과를 관찰하여 전기장에 어떻게 반응하는지를 보여줍니다.

Principles

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충전된 물체는 주변 공간에서 전기장을 생성합니다. 예를 들어 Gauss의 법칙에 따르면 원산지에 있는 포인트 충전 Q는 전기장을 생성합니다.

Equation 1(방정식 1)

전하로부터 의 거리 r이 있는 공간의 어느 지점에서나(원산지 r =0) 및 전기장의 방향은 방사형 방향을 따라(Q가 양수인 경우 전하로부터 멀리, Q가 음수인 경우 전하쪽으로). 중첩 원리에 따라 총 전기장을 생성하겠으며, 즉 총 전기장은 개별 충전에 의해 생성된 전기장의 벡터 합이다. 총 충전 Q가 있는 균일하게 충전된 구의 경우, 구 외부에서 생산되는 전기장은 구의 중앙에 있는 포인트와 같은 충전 Q로 인해 전기장(수학식 1에의해 주어짐)과 동일하지만 구 내부의 전기장은 0이 된다.

벡터 필드 라인을 추적하기 위해 전기장의 로컬 방향을 따르는 경우, 이러한 라인(접선은 전기장의 로컬 방향을 반영하고, 라인의 밀도가 로컬 전기장의 강도를 반영함)로 알려져 있다. 전기장의 분포와 방향을 시각화하는 데 도움이 되는 가상의 라인입니다.

전기장은 전기 전위와 밀접한 관련이 있습니다. 전기장은 필드의 방향을 따라 잠재적 인 낙하 (또는 "전압 강하")를 생성합니다. 반대로 전기장을 생성하는 편리한 방법은 잠재적 인 차이를 적용하는 것입니다. 예를 들어, 두 개의 서로 다른 전압이 두 개의 분리된 도체(또는 도체에 가해지는 무제로 전압)에 적용된 경우 다른 도체를 제로 전압으로 "접지"하는 동안), 두 도체 사이의 공간에서 전기장이 더 높은 전압 컨덕터에서 하전압 컨덕터로 방향을 가리키는 경우 생성된다.

전기장(E)이 힘을 발휘하고,

Equation 2

요금 (q)에. 힘의 방향은 양수 q용 전기장과 같으며, 음수 q용 전기장과 반대된다. 이동전전을 포함하는 도체(예: 금속)가 전기장에 배치되면, 전기장은 전기장 방향으로 양전하 "다운스트림"을 밀어 내고 전장의 방향과 반대되는 음전하(예: 업스트림)를 당겨 도체의 경계(표면)에 전하가 축적되고 더 이상 움직일 수 없다. 이로 인해 전기장에서 도체에서 음수 및 양성 전하가 분리되어 전기장에 의한 "편광"이라고도 합니다. 전도체보다 전하가 훨씬 적은 절연체의 경우에도 전기장에서 부분적인 "편광"(음수 및 양전한 전하가 약간 변위되는 경우)이 발생할 수 있습니다. 전기장은 네거티브에서 필드의 방향에 부합하는 양전으로 변위를 만들려고 합니다. 전기장이 공간적으로 불균일하여 분리된 양전및 음전하의 힘이 취소되지 않도록 하면, 편광된 물체에 그물 힘이 가해지는 것이다.

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Procedure

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1. 전기 필드 라인을 시각화

  1. 정전기 발생기(예: 핸드헬드 정적 Genecon 또는 반 데르 그라프 생성기), 동심 원 구성에 배치된 전극 한 쌍, 서로 평행하게 배열된 전극 쌍을 가져옵니다.
  2. 페트리 접시 나 전망탱크를 얻고, 오일(예: 캐스터 오일)으로 채우고, 기름에 전기/편광 분말(예: 세몰리나 씨)을 추가합니다.
  3. 병렬 전극 구성으로 전극을 관측탱크 홀더에 적재한다. 그림 1과같이 각각 정전기 발전기의 "−"(접지) 및 "+" 단자에 두 전극을 연결합니다. 클램프가 있는 케이블로 연결할 수 있습니다.

Figure 1

그림 1: 전기 발전기에 연결된 두 개의 구리 와이어의 회로도를 보여주는 다이어그램, 전선의 다른 끝 (기름에 담근)은 병렬 전극 의 쌍에 연결됩니다.

  1. "+" 단말과 연결된 전극에 양전하를 가하는 발전기의 크랭크를 돌립니다. 적어도 5 전체 회전을 합니다. 분말의 동작을 관찰합니다.
  2. 케이블을 사용하여 "−"와 "+" 단단을 직접 짧게 하여 충전을 중화시합니다. 단자에서 전극을 분리합니다.
  3. 다음으로, 동심 원 전극 구성을 홀더에 적재하고 도 2에도시된 바와 같이 발전기의 단말과 전극을 다시 연결한다. 접시에 기름을 저어 분말을 무작위로.

Figure 2

그림 2: 전기 발전기에 연결된 두 개의 구리 와이어의 회로도를 보여주는 다이어그램, 전선의 다른 끝 (기름에 담근)은 각각 내부 고리와 외부 고리모양의 전극 쌍에 연결됩니다.

  1. 발전기(최소 5회 회전)를 크랭크하고 전극을 충전하고 접시에 있는 분말의 동작을 관찰한다.

2. 전기장의 효과

  1. 빈 소다 캔을 얻고 테이블에 (자유롭게 굴릴 수 있도록) 측면에 휴식
  2. 아크릴 막대를 가져옵니다. 그것을 충전 모피로 문질러.
  3. 막대를 빈 탄산음료 캔 가까이에 가져와 소다 캔의 반응을 관찰합니다.
  4. 작은 종이 스트립을 찢어 충전 된 막대에 가져와 그 행동을 관찰하십시오.

전기장은 전기 및 충전 전하 상호 작용을 이해하는 데 기본이며 전기 전위와 같은 중요한 수량과 밀접한 관련이 있습니다.

충전된 물체는 전기장을 생성합니다. 필드의 크기는 오브젝트의 충전 수량과 필드가 측정되는 개체로부터의 거리에 따라 달라집니다. 이 필드는 또한 흥미로운 현상을 일으키는 원인이 되는 그밖 인근 요금 또는 물자에 힘을 발휘합니다.

이 비디오에서는 먼저 전기장과 관련된 기본 개념을 다시 검토한 다음 전기장 연구와 현장에서 충전 및 재료에 영향을 미치는 힘을 연구하는 데 도움이 되는 실험을 설명합니다. 마지막으로, 우리는 그들의 이점에 전기장을 사용하는 응용 프로그램의 몇 가지를 볼 수 있습니다.

앞서 언급했듯이, 충전된 물체는 주변 공간에서 전기장을 생성합니다. 가우스의 법칙을 사용하면 전기장의 크기가 소스 충전 'Q'에 선형적으로 비례하며 소스 요금으로부터 의 거리 'r'의 제곱에 반비례한다는 것을 입증할 수 있습니다. 그리고'k'는 쿨롬의 상수입니다. 따라서, 소스 충전의 양을 두 배로 하면 필드 강도를 두 배로 합니다. 측정 거리를 두 배로 늘리면 필드 강도를 4배 감소시킵니다.

충전된 물체에 의해 생성된 전기장은 "전기장 선"이라고 불리는 가상의 라인을 사용하여 시각화할 수 있습니다. 이 선은 필드의 크기와 방향을 모두 시각화하는 데 도움이 되는 화살표 모음입니다. 일반적으로 필드 라인은 양수 소스 충전에서 벗어나 음수 소스 충전으로 향합니다.

충전된 개체에 의해 생성된 총 필드 회선은 충전량을 나타내며, 필드의 특정 위치에 있는 선의 밀도는 해당 위치의 크기를 나타냅니다. 따라서 선은 충전된 구 근처에 밀접하게 포장되고 소스에서 더 먼 거리에서 더 멀리 떨어져 있습니다.

알 수 없는 소스 충전전기장의 방향은 소스 충전 부근에 시험 요금을 부과하고, 시험 요금이 소스 요금에서 멀어지거나 격퇴되는지 관찰하여 결정됩니다.

이 힘의 크기 'F'는 Coulomb의 법에 의해 주어지며, 이는 힘이 전기장 강도와 시험 충전에 대한 충전금액에 선형적으로 비례한다고 명시하고 있습니다. 방향의 경우: 시험 충전이 양수인 경우, 시험 전하의 힘의 방향은 전기장과 동일합니다. 그러나, 시험 요금이 음수인 경우, 힘의 방향은 소스 충전의 전기 장과 반대된다.

전기장은 또한 필드의 방향을 따라 전기 전위 차이 또는 전압 강하를 생성할 수 있습니다. 이 현상은 이 컬렉션의 전기 잠재력 비디오에서 자세히 설명되어 있습니다. 반대로, 전기장은 두 개의 분리된 도체에 서로 다른 전압을 적용하여 생성된다는 점에 유의해야 한다. 이 경우 필드 방향은 더 높은 전압에서 낮은 전압까지 가리킵니다.

전기장은 충전된 물체 외에도 구리 와이어와 같이 중립 충전재료에도 영향을 미칩니다. 모든 중립 재료는 양수 및 음수 충전의 거대하고 동등한 금액으로 구성되어 있습니다. 따라서 전기장은 이러한 각 요금에 힘을 발휘합니다. 재료에 대한 대규모 충전 컬렉션의 변위가 발생합니다. 이것은 양전하 및 음전하의 효과적인 분리귀착될 수 있고 "편광"으로 알려져 있습니다.

다음 섹션에서는 전압을 적용하여 생성된 전기장의 필드 라인을 두 개의 서로 다른 전극 구성으로 시각화하는 방법을 살펴보겠습니다. 그리고 다음 섹션에서 우리는 전기력의 효과와 종이, 모피, 아크릴 막대 및 탄산음료를 사용하여 편광 현상을 볼 수 있습니다.

이 데모는 핸드헬드 정적 제네콘 또는 반 데르 그라프 발전기, 동심 원 구성으로 배열된 전극 한 쌍, 서로 평행하게 배열된 전극 한 쌍, 페트리 접시 또는 관측탱크와 같은 정전기 발전기로 구성됩니다.

관측탱크는 캐스터 오일과 같은 점성 기름과 세몰리나 씨와 같은 편광 분말의 약 반 그램으로 채워져 있습니다.

오일과 분말 에멀젼으로 채워진 관찰 탱크를 홀더에 적재합니다. 다음으로, 평행 전극 구성을 홀더에 장착합니다. 케이블을 사용하여 전극을 정전기 발전기의 음수 및 양수 단자에 연결합니다.

발전기의 크랭크를 최소 5회 회전하여 두 도체와 전기장 설정 간의 잠재적 차이를 생성합니다. 추가 된 분말은 극성이기 때문에 분말의 반점이 서서히 전기 장 선과 정렬되기 시작합니다.

다음으로, 충전을 중화시키기 위해 단자 간 케이블을 연결하여 양수 및 음수 단말들을 직접 짧게 한다. 충전이 소멸될 때까지 몇 초 동안 기다린 후 터미널에서 단락 케이블을 분리합니다. 그런 다음 홀더에서 전극 플레이트를 분리합니다.

이제 동심 원 전극 구성을 홀더에 장착합니다. 조심스럽게 셋업을 굴려 관찰 탱크에 오일과 편광 분말을 섞는다.

발전기를 켜고 적어도 5개의 전체 회전을 크랭크하여 두 개의 도체 링 사이에 전기장을 만듭니다. 고리 사이의 분말은 이 지역의 전기장 선이 고리 중앙에 위치한 포인트 전하의 전기장 선과 유사하다는 것을 나타내는 방사선을 형성합니다. 대조적으로, 내부 원 내의 분말은 이 지역에 어떤 감사한 전기장이 존재하지 않는다는 것을 나타내는 식별 가능한 정렬을 가지고 있지 않습니다.

이제 편광과 전기장력을 보여주는 실험에 대해 논의해 보겠습니다. 이 데모에 사용되는 일반적인 항목은 빈 탄산음료 캔, 아크릴 막대, 막대를 감싸기에 충분한 큰 모피 조각, 종이 스트립입니다.

빈 탄산음료 캔을 옆으로 놓아 자유롭게 굴릴 수 있습니다. 털 조각을 막대 주위에 감싸고 문지르면 적어도 10번 이상 끝납니다. 막대를 문지르면 모피에서 막대로 전자를 물리적으로 이송하고 막대를 음전하시켜 편광을 유도하는 데 필요한 전기장을 생성할 수 있게 합니다.

충전된 막대를 빈 탄산음료 캔 가까이에 가져와 막대쪽으로 굴러가기 시작할 때 캔의 매력적인 힘을 관찰합니다. 이는 막대의 전기장이 소다 캔에 편광을 유도하기 때문이다. 막대에 있는 것과 반대되는 요금은 막대에 더 가까워지고, 같은 표지판의 혐의가 막대에서 밀려나고 있습니다. 이로 인해 막대가 캔에 매력적이고 반발력을 발휘합니다. 반대의 전하가 막대에 가깝기 때문에, 이러한 경험은 더 강한 힘을 경험하여 막대쪽으로 그물 매력적인 힘을 일으킵니다.

다음으로, 충전된 막대를 종이 조각 에 가까이 가져와 서 막대쪽으로 구부러진 종이를 관찰합니다. 매력적인 동작은 소다가 막대쪽으로 굴릴 수 있는 동일한 유도된 편광 효과의 결과입니다. 흥미롭게도, 소다 수 보다 훨씬 적은 무게에도 불구 하 고, 종이의 전반적인 움직임은 비교적 작습니다. 이는 캔의 전도성 특성에 비해 종이의 절연 특성으로 인해 훨씬 약한 편광으로 이어집니다.

전기장은 충전된 물체나 전압 차이가 있는 곳이면 어디든 존재하기 때문에 유비쿼터스입니다.

전기 또는 전류는 전기 전도성 전선을 통해 전하를 밀어내는 전력 필드의 결과입니다. 대규모로 발전소에서 주거 및 상업용 건물로 전기를 라우팅하는 작업이 포함됩니다. 작은 규모로 회로를 통한 전류의 통행은 LED, 전구, 팬 또는 컴퓨터와 같은 모든 전자 장치를 작동하는 데 기본입니다.

질량 분광계는 전기장을 사용하여 샘플의 화학 적 함량을 결정합니다. 이 장비에서, 먼저 이온화된 분자는 전자 빔, 플라즈마 또는 레이저와 같은 강한 힘의 적용에 의해 생성된다. 이러한 충전된 분자는 교대로 전기장을 통과합니다. 필드는 분자에 전기력을 발휘하여 궤적을 변경하여 효과적인 분리로 이어집니다.

방금 조브가 전기밭에 소개하는 것을 보았습니다. 이제 전기장의 크기와 방향을 제어하는 원칙, 전기장 선을 시각화하는 방법, 전기장에 의해 양극화를 유도하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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단계 1.4의 경우, 분말은 도 3에도시된 바와 같이 전극 사이의 선 패턴을 형성하기 시작합니다. 이는 분말이 편광되어 전기장과 일치하기 때문입니다. 그들은 또한 필드가 강한 곳으로 끌린다, 즉 긍정적 인 전극에 가까운. 오일은 매우 점성이 있기 때문에 분말은 현저하게 움직이지 않습니다. 분말의 패턴은 "전기 장 선"을 시각화합니다.

Figure 3
도 3: 도 1에대응하는 전하 전극에 의해 생성된 전극에 맞추어 분말, 오일에 의해 형성될 수 있는 대표적인 라인 패턴을 보여주는 다이어그램. 라인 패턴은 전기장 라인을 반영하고 전기장을 시각화합니다.

1.7단계의 경우, 센터 링 외부의 분말("+" 전극에 의해 만들어진)은 도 4에도시된 바와 같이 방사형 선 패턴을 형성한다. 이는 내부 링 외부에 전기장이 존재한다는 것을 나타냅니다. 그러나 내부 링 내부의 분말은 무작위로 나타나고 정렬 된 패턴을 형성하지 않습니다. 이는 링 내부의 전기장이 약 0이라는 사실을 반영합니다.

Figure 4
도 4: 도 2에대응하는 전극에 의해 생성된 전장에 대응하여 오일의 분말에 의해 형성되는 대표적인 라인 패턴을 보여주는 다이어그램. 라인 패턴은 전기장 라인을 반영하고 전기장을 시각화합니다. 내부 링 내부의 분말의 무작위 분포(라인 패턴 의 부족)는 전기장의 정렬 부족 또는 충분한 강도의 부족을 반영한다.

2.3 및 2.4 단계의 경우 탄산음료 캔과 종이 스트립모두 고하봉쪽으로 이동합니다. 이는 소다 캔과 종이 스트립이 전기장에 의해 편광되고 전기장이 막대에 더 가깝고 막대에서 더 멀리 약하기 때문입니다. 따라서, 로드에 가까워지기 위해 전기장에 의해 당겨진 전하는, 막대에서 밀려난 반대의 전하에 비해 더 강한 힘에 의해 당겨진다. 이것은 막대를 향한 그물 매력적인 힘을 생성합니다.

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Applications and Summary

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이 실험에서는 전기장 선과 일치하는 오일에 전기 분말을 사용하여 전기장을 시각화했습니다. 또한 전장이 강한 전기장의 원천인 막대쪽으로 극성 물체를끌어들이기 위해 전하봉에 의해 생성된 전기장의 효과를 입증했습니다.

전기장은 유비쿼터스입니다. 전하 또는 전압(전기 전위) 차이가 있을 때마다 전기장이 있습니다. 전기장은 모든 회로에서 전류를 형성하기 위해 전하(보통 전자)를 밀어낼 힘을 제공합니다. 전기장은 또한 건조한 기후에서 우리가 보고 경험하는 불꽃 (일반적으로 겨울 시간)에 대한 책임이 있습니다. 특정 작용(예: 스웨터를 제거할 때 스웨터를 문지르면)이 충분한 충전량을 생성하고 충분히 강한 전기장을 생성할 때, 이 필드는 공기 중의 과도 전기 전도를 유발할 수 있습니다(전기장이 공기 분자를 편화할 뿐만 아니라 공기 분자에서 전자를 찢어버릴 정도로 강한 "전기 고장"이라고도 합니다. , 그리고 불꽃을 일으킬 수 있습니다.

실험의 저자는 게리 허드슨의 재료 준비에 대한 도움을 인정하고 비디오의 단계를 시연하기위한 Chuanhsun 리.

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Transcript

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