Overview
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Un campo eléctrico es generado por un objeto cargado (denominado la carga de la fuente) en el espacio alrededor de él y representa la capacidad de ejercer fuerza eléctrica en otro objeto cargado (denominado la carga de la prueba). Representada por un vector en un momento dado en el espacio, el campo eléctrico es la fuerza eléctrica por unidad carga de prueba colocada en ese punto (la fuerza sobre una carga arbitraria sería la carga el campo eléctrico de las épocas). El campo eléctrico es fundamental a efectos de las cargas y electricidad, y está también estrechamente vinculada a otras cantidades importantes como tensión eléctrica.
Este experimento utiliza polvos electrified en un aceite que se alinean con los campos eléctricos producidos por los electrodos cargados para visualizar las líneas de campo eléctrico. Este experimento también demostrará cómo un campo eléctrico puede inducir cargas y cómo cargos responden al campo eléctrico, observando el efecto de una varilla cargada en una lata de soda cercanas.
Principles
Un objeto cargado produce un campo eléctrico en el espacio circundante. Por ejemplo, según la ley de Gauss, una carga punto Q situado en el origen genera un campo eléctrico:
(Ecuación 1)
en cualquier punto en el espacio con una distancia r de la carga (en el origen r = 0), y la dirección del campo eléctrico a lo largo de la dirección radial (de la carga si Q es positivo y hacia la carga si Q es negativo). Una colección de cargas produce un campo eléctrico total según el principio de superposición, es decir, el campo eléctrico total es la suma vectorial de los campos eléctricos producidos por cargas individuales. Para una esfera uniformemente cargada con carga total Q, el campo eléctrico producido fuera de la esfera es igual al campo eléctrico (dado por la ecuación 1) debido a una punto-como carga Q situada en el centro de la esfera, mientras que el campo eléctrico dentro de la esfera sería cero.
Si uno sigue la dirección local del campo eléctrico para trazar el campo de vector de líneas, estas líneas (cuya tangente refleja la dirección local del campo eléctrico y la densidad de las líneas refleja la fuerza del campo eléctrico local) se conocen como "líneas de campo eléctrico". Son líneas ficticias que ayudan a visualizar la distribución y la dirección de campos eléctricos.
Un campo eléctrico está estrechamente relacionada con eléctrico potencial. Un campo eléctrico que produce un potencial de caída (o "tensión") a lo largo de la dirección del campo. Por el contrario, una manera conveniente de generar un campo eléctrico es aplicar una diferencia de potencial. Por ejemplo, si dos voltajes diferentes se aplican en dos conductores separados (o un voltaje distinto de cero aplicado en un conductor, manteniendo otro conductor "tierra" a voltaje cero), entonces un campo eléctrico en el espacio entre los dos conductores apuntando en la dirección del mayor conductor de tensión al conductor más bajo de tensión se genera.
Un campo eléctrico (E) ejercerá una fuerza,
con una carga (q). La dirección de la fuerza es igual al campo eléctrico para q positivo y frente al campo eléctrico para q negativo. Si un conductor (como un metal) que contiene cargas móviles se coloca en un campo eléctrico, el campo eléctrico empujará cargas positivas "aguas abajo" en la dirección de las cargas negativas de campo eléctrico y tire (como electrones) "aguas arriba" opuesta a la dirección del campo eléctrico, hasta que las cargas se acumulan en la frontera (superficie) del conductor y no se pueden mover más. Esto resulta en una separación de cargas positivas y negativas en el conductor en un campo eléctrico, un fenómeno también conocido como "polarización" por el campo eléctrico. Incluso para los aisladores donde las cargas son mucho menos móviles que los de un conductor, una "polarización" parcial (donde ligeramente se desplazan las cargas positivas y negativas) puede ocurrir en un campo eléctrico. El campo eléctrico intentará hacer el desplazamiento de los negativos de las cargas positivas alineadas con la dirección del campo. Si el campo eléctrico es no homogéneo espacial tal que no cancele las fuerzas sobre las cargas positivas y negativas separadas, se ejercerá una fuerza neta sobre un objeto polarizado.
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Procedure
1. visualizar las lineas de campo eléctrico
- Obtener un generador electrostático (como una mano Genecon estática o un generador de van der Graff), un par de electrodos dispuestos en un círculo concéntrico y un par de electrodos dispuestos paralelo.
- Obtener una placa de Petri o un tanque de observación, llene con aceite (como el aceite de ricino) y añadir polvos electrified polarizable (como las semillas de sémola) en el aceite.
- Carga de los electrodos con la configuración de electrodos paralelos sobre el soporte de tanque de observación. Conectar los dos electrodos a la "−" (tierra) y "+" (cargado) terminales del Generador electrostático, respectivamente, como en la figura 1. La conexión puede hacerse por los cables con abrazaderas.
Figura 1 : Diagrama que muestra los esquemas de dos hilos de cobre conectados a un generador eléctrico, los otros extremos (sumergidos en aceite) de los cables está conectado a un par de electrodos paralelos.
- Gire la manivela del generador que cargas en el electrodo conectado al terminal "+" positivo. Hacer al menos 5 vueltas completas. Observar el comportamiento de los polvos.
- Use un cable corto directamente el "−" y los terminales "+" para neutralizar las cargas. Desconectar el electrodo de los terminales.
- A continuación, cargar la configuración del electrodo de círculo concéntrico sobre el soporte y conecte los electrodos a los terminales del generador, como se muestra en la figura 2. Agregue el aceite en el plato para aleatorizar los polvos.
Figura 2 : Diagrama que muestra los esquemas de dos hilos de cobre conectados a un generador eléctrico, los otros extremos (sumergidos en aceite) de los cables está conectado a un par de electrodos en forma de un anillo interior y un anillo externo respectivamente.
- La manivela del generador (por lo menos 5 vueltas) y los electrodos de carga y observar el comportamiento de los polvos en el plato.
2. efecto del campo eléctrico
- Obtener una lata de soda vacía y descansar en su lado (por lo que se puede rodar libremente) sobre una mesa
- Obtener una barra de acrílico; frotar con la piel para cargarlo.
- Acercar la varilla a la lata de soda vacía y observar la respuesta de la lata de soda.
- Rasgue una tira pequeña de papel y llevarlo a la barra cargada, observar su comportamiento.
El campo eléctrico es fundamental para comprender las interacciones eléctrica y cargo por cargo y estrechamente relacionadas con importantes cantidades como potencial eléctrico.
Cualquier objeto cargado genera un campo eléctrico. La magnitud del campo depende de la cantidad de carga en el objeto y la distancia del objeto donde se mide el campo. Estos campos también ejercen una fuerza sobre otras cargas cercanas o materiales provocando fenómenos interesantes.
En este video, primero revisará los conceptos básicos relacionados con campos eléctricos, y luego ilustramos un experimento que ayuda en el estudio de campos eléctricos y las fuerzas que afectan a cargos y materiales en un campo. Por último, vamos a ver un par de aplicaciones que utilizan campos eléctricos para su ventaja.
Como se mencionó anteriormente, un objeto de cargado produce un campo eléctrico en el espacio circundante. Según la ley de Gauss, la magnitud del campo eléctrico es linealmente proporcional a la carga de la fuente 'Q' e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia 'r' de la carga de la fuente; y 'k' es el Coulomb constante. Así, la duplicación de la cantidad de resultados de cargo de fuente en doble la fuerza del campo. Considerando que el duplicar la medida distancia reduce la intensidad de campo por cuatro veces.
El campo eléctrico producido por un objeto cargado puede visualizarse usando líneas ficticias llamado "líneas de campo eléctrico". Estas líneas son una colección de flechas para ayudar a visualizar la magnitud y dirección del campo. Por lo general, líneas de campo se dirigen hacia una carga negativa de la fuente y una carga positiva de la fuente.
El número total de líneas de campo producidas por un objeto cargado representa la cantidad de la carga, mientras que la densidad de las líneas en un lugar en particular en el campo indica la magnitud en ese lugar. Por lo tanto, las líneas se embalan cerca cerca de una esfera cargada, mientras que son más propagación aparte a una mayor distancia de la fuente.
La dirección del campo eléctrico de una carga fuente desconocida se determina colocando una carga de prueba en proximidades de la carga de la fuente, y observar si la carga de la prueba es atraída hacia o rechazada lejos de la carga de la fuente.
La magnitud de esta fuerza 'F' está dada por la ley de Coulomb, que establece que la fuerza es linealmente proporcional a la intensidad de campo eléctrico y la cantidad de carga carga de la prueba. Dirección: Si la carga de la prueba es positiva, la dirección de la fuerza sobre la carga de la prueba es el mismo que el campo eléctrico. Sin embargo, si la carga de la prueba es negativa, la dirección de la fuerza es opuesta a la de campo de eléctrico de la carga de la fuente.
Campos eléctricos también pueden producir una diferencia de potencial eléctrico, o una caída de tensión, a lo largo de la dirección del campo. Este fenómeno se discute en detalle en el video de potencial eléctrico de esta colección. Por el contrario, es importante tener en cuenta que los campos eléctricos también son generados por la aplicación de voltajes diferentes a los dos conductores separados. En este caso, la dirección del campo puntos de la tensión más alta a la tensión más baja.
Además de objetos cargados, los campos eléctricos afectan también materiales que son de carga neutra, como el alambre de cobre. Todos los materiales neutros se componen de una enorme e igual cantidad de cargas positivas y negativas. Campos eléctricos, por tanto, ejercer una fuerza sobre cada uno de estos cargos; lo que resulta en un desplazamiento de grandes colecciones de carga en el material. Esto puede resultar en una eficaz separación de cargas positivas y negativas y se conoce como "polarización".
En la siguiente sección, veremos cómo visualizar líneas de campo del campo eléctrico generado por la aplicación de voltajes para dos configuraciones de electrodos diferentes. Y en la siguiente sección que vamos a ver el efecto de fuerzas eléctricas y el fenómeno de la polarización usando papel, piel, una barra de acrílico y un refresco.
La demostración consiste en un generador electrostático, como una mano Genecon estática o un generador de van der Graff, un par de electrodos dispuestos en un círculo concéntrico, un par de electrodos dispuestos paralelamente a otras y un plato de petri o tanque de observación.
El tanque de observación está lleno con un aceite viscoso como el aceite de ricino y aproximadamente medio gramo de polvo polarizable, como las semillas de sémola.
Carga el tanque de observación lleno de la emulsión de aceite y polvo en su soporte. A continuación, montar el plato con la configuración de electrodos paralelos sobre el soporte. Con cables, conecte los electrodos a los terminales positivos y negativos del Generador electrostático.
Gire que la manivela del generador por lo menos 5 completo convierte de tal modo creando una diferencia de potencial entre los dos conductores y el establecimiento de un campo eléctrico. Puesto que el polvo agregado es polarizable, motas de polvo lentamente comenzarán a alinearse con las líneas de campo eléctrico.
A continuación, con el fin de neutralizar los cargos, corto directamente los terminales positivo y negativo conectando un cable entre los terminales. Después de esperar unos segundos para la carga se disipe, desconecte el cable de cortocircuito de los terminales. Luego, desmontar la placa del electrodo del titular.
Ahora, montar el plato con la configuración del electrodo de círculo concéntrico sobre el soporte. Mezclar el aceite y el polvo polarizable en el tanque de observación girando con cuidado el montaje.
Encienda el generador y manivela al menos 5 vueltas completas para crear un campo eléctrico entre los dos conductores. El polvo entre los anillos se forma irradian líneas indicando que las líneas de campo eléctrico en esta región son similares a las líneas de campo eléctrico de una carga del punto situado en el centro de los anillos. Por el contrario, el polvo dentro del círculo interno no posee ninguna alineación perceptible que indica que no hay campo eléctrico apreciable existe en esta región.
Ahora vamos a discutir un experimento que demuestra la polarización y el campo eléctrico las fuerzas. Los elementos comunes utilizados en esta demostración son una lata de soda vacía, una barra de acrílico, un pedazo de piel lo suficientemente grande como para envolver alrededor de la barra y una tira de un papel.
Lugar la soda vacía puede a su lado por lo que se puede rodar libremente. Envolver el trozo de piel alrededor de la varilla y frote el extremo a extremo por lo menos 10 veces. Frotando la barra, físicamente son transferencia de electrones de la piel a la barra y haciendo que la varilla con carga negativa lo que le permite generar el campo eléctrico necesario para inducir una polarización.
Acercar la varilla cargada a la lata de soda vacía y comienza a rodar hacia la barra, observando las fuerzas atractivas en la lata. Esto es porque el campo eléctrico de la barra induce una polarización en la lata de soda. Frente en signo a los de la barra son cargos más cerca a la barra, mientras que cargas del mismo signo se empujaron lejos de la barra. Esto resulta en la varilla ejerciendo fuerzas atractivas y repulsivas en la lata. Puesto que las cargas opuestas están más cercanos de la barra, estos experimentan una fuerza más fuerte, que produce una fuerza de atracción neta hacia la barra.
Luego, acercar la varilla cargada cerca de la tira de papel y observar el papel de la curva hacia la barra. El comportamiento atractivo es el resultado del mismo efecto de la polarización inducida que la soda puede para rodar hacia la barra. Curiosamente, a pesar de pesar mucho menos que la lata de soda, el movimiento general del documento es comparativamente pequeño. Esto es debido a la naturaleza aislante de papel en comparación con la naturaleza conductiva de la can, que conduce a una polarización mucho más débil.
Los campos eléctricos son ubicuos, ya que existen donde pagan los objetos o las diferencias de voltaje.
Electricidad o corriente eléctrica, es el resultado de los campos de fuerza eléctricos empujando a través de cables altamente conductoras. A gran escala, se trata de la ruta de la electricidad de las centrales eléctricas para edificios residenciales y comerciales. En una escala menor, el paso de corriente eléctrica a través de un circuito es fundamental para el funcionamiento de cualquier dispositivo electrónico, como un LED, una bombilla, un ventilador o un ordenador.
Spectrometery masa utiliza campos eléctricos para determinar el contenido químico de una muestra. En este equipo, primero las moléculas ionizadas se generan por el uso de las fuerzas fuerte, como un haz de electrones, plasma o láser. Estos cargan las moléculas entonces se pasan a través de un conjunto de alternar campos eléctricos. El campo ejerce una fuerza eléctrica sobre las moléculas, que altera su trayectoria, llevando a una separación efectiva.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a campos eléctricos. Ahora debe entender los principios que rigen la magnitud y dirección de campos eléctricos, cómo visualizar las lineas de campo eléctrico y cómo la polarización puede ser inducida por un campo eléctrico. ¡Gracias por ver!
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Results
Paso 1.4, el polvo empezará a formar patrones de línea entre los electrodos tal como se muestra en la figura 3. Esto es porque los polvos son polarizados y línea para arriba con el campo eléctrico. También son atraídos hacia donde el campo es más fuerte, es decir, más cercano al electrodo positivo. Los polvos no mueven sensiblemente porque el aceite es muy viscoso. El patrón de los polvos visualiza las "líneas de campo eléctrico".
Figura 3 : Diagrama que muestra patrones de línea representativa que pueden ser formados por el polvo, el aceite, alinear con el campo eléctrico producido por los electrodos de cargados correspondiente a la figura 1. Los patrones de línea reflejan las líneas de campo eléctrico y visualizar el campo eléctrico.
Paso 1.7, el polvo fuera del anillo de centro (hecho por el electrodo "+") forma un patrón de línea radial, como se muestra en la figura 4. Esto indica que existe un campo eléctrico exterior del aro interior. Sin embargo, el polvo en el anillo interior aparece al azar y forman patrones alineados. Esto refleja el hecho de que el campo eléctrico dentro del anillo es aproximadamente cero.
Figura 4 : Diagrama que muestra patrones de representante de la línea que se forma por el polvo en el aceite en respuesta al campo eléctrico producido por los electrodos de cargados correspondiente a la figura 2. Los patrones de línea reflejan las líneas de campo eléctrico y visualizar el campo eléctrico. Distribución aleatoria (falta de líneas de patrón) del polvo en el anillo interior refleja la falta de alineación o falta de suficiente fuerza de allí los campos eléctricos.
Para los pasos 2.3 y 2.4, la soda puede tanto tira de papel será atraído por y avanzar hacia la barra cargada. Esto es porque tanto la soda puede tira de papel a ser polarizada por el campo eléctrico y el campo eléctrico es más fuerte cerca de la barra y más lejos de la barra. Por lo tanto, los cargos tirados por el campo eléctrico para estar más cerca de la barra, se tira por una fuerza más fuerte en comparación con las cargas opuestas empujados lejos de la barra. Esto produce una fuerza de atracción neta hacia la barra.
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Applications and Summary
En este experimento, hemos visualizado campos eléctricos con polvo electrificado en un aceite que se alinean con las líneas de campo eléctrico. También hemos demostrado el efecto de un campo eléctrico producido por una barra de carga para atraer objetos polarizables hacia la barra, es decir, la fuente del campo eléctrico donde el campo eléctrico es más fuerte.
Los campos eléctricos son ubicuos. Hay campos eléctricos cuando existan cargos o diferencias de voltaje (potencial eléctrico). Campos eléctricos proporcionan la fuerza para empujar cargas (generalmente electrones) a corriente eléctrica forma en cualquier circuitos. Campos eléctricos también son responsables de las chispas que ver y experimentar en clima seco (normalmente en invierno). Cuando una determinada acción (por ejemplo, frotar un suéter al sacarlo) produce una cantidad suficiente de cargas y por lo tanto un campo eléctrico lo suficientemente fuerte, el campo puede causar la conducción eléctrica transitoria en el aire (también conocido como "electric breakdown", donde el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para no sólo polarizan las moléculas de aire, pero incluso a rip off electrones de las moléculas de aire) y causar chispas.
El autor del experimento agradece la ayuda de Gary Hudson para la preparación de material y Chuanhsun Li para la demostración de los pasos en el video.
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