Закрыть

Постоянное электрическое поле: Электрические формулы и их описание

Содержание

Электрические формулы и их описание

Чтобы работать с электричеством, делать разводку по дому, понимать правила ПУЭ и решать различные задачи, нужно знать основные формулы электричества, физические законы, приведенные известными учеными-физиками. Ниже рассмотрены основные теоремы по электрике, выведенные константы, физические правила, которые следует понимать каждому человеку.

Основные формулы электричества

Изучение основ электродинамики, электрики невозможно без определения электрического поля, точных зарядов, сопротивления и прочих явлений.

Формулы электричества

Поэтому важно рассмотреть все основные формулы электричества и примеры решения задач с их использованием.

Закон Кулона

Согласно короткому описанию, это физический закон, который говорит о взаимодействии между прямо стоящими точечными электрозарядами в зависимости от того, на каком расстоянии они находятся. Согласно полному определению, формулировка обозначает, что между двумя точками в виде электрических зарядов формируется вакуум. Там появляется конкретная сила, которая пропорциональна умножению их модульных частиц, поделенных на квадратный показатель расстояния.

Расстояние — длина, которая соединяет заряды. Сила взаимодействия направлена по отрезку. Кулоновская сила — сила, отталкивающая при зарядах минус-минус и плюс-плюс и притягательная при минус-плюс и плюс-минус.

Обратите внимание! Электрическая сила формула выглядит так: F=k⋅|q1|⋅|q2|/r2, где F — сила заряда, q — величина заряда, r — вектор или расстояние между зарядами, а k — коэффициент пропорциональности. Последний равен c2·10−7 Гн/м.

Закон Кулона

Решение задачи с законом Кулона. При наличии заряженных шариков, которые находятся на расстоянии 15 см и отталкиваются с силой 1 Н в поиске начального заряда, выявить неизвестное можно, переведя основные единицы в систему СИ и подставив величины в указанную формулу. Выйдет значение 2 * 5 * 10 (-8) = 10 (-7).

Напряженность поля уединенного точечного заряда

Электрическое поле будучи материей, создаваемой электрическими точечными зарядами, характеризуется разными величинами, в том числе напряженностью.

Напряженность выступает векторной величиной или силовой характеристикой поля, которая направлена в сторону электростатического взаимодействия зарядов. Чтобы получить ее, нужно использовать формулу E = k (q / r (2)), где Е — векторное поле.

Напряженность поля уединенного точечного заряда

Согласно данной формулировке, напряженность поля заряда имеет обратную пропорциональность квадратному значению расстояния от заряда. То есть если промежуток увеличивается в несколько раз, показатель напряжения снижается в четыре.

Применить закон можно для решения задач. Например, неизвестен радиус. Тогда нужно преобразовать константу. Нужно решить уравнение E / r (2) = kq, подставив известные числа.

Потенциал точки в поле точечного заряда

Потенциалом в электростатическом поле называется скалярная величина, которая равна делению потенциального показателя энергии заряда на него. Он не зависит от величины q, которая помещена в область. Так как потенциальный показатель энергии зависит от того, какая выбрана система координат, то потенциал определяется с точностью до постоянной.

Он равен работе поле, которое смещает единичный положительный заряд в бесконечность. Выражается через ф = W / q =const.

Потенциал точки в поле точечного заряда

Обратите внимание! В задачах можно преобразовывать константу. Если неизвестно W, то можно поделить q на ф, а если q — то, W на ф.

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле

Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле

Поскольку работа электрического поля не зависит от выбранного движения заряженной частицы, а от его начального и конечного положения, есть термин потенциальной энергии. Это скалярная величина в координате пространства, которая показывает, как работает сила, когда частица перемещается по произвольному промежутку из одной в другую точку. Она равна разности значений передвижения частиц в этом промежутке. Выражается в следующем виде: А = П1 — П2, где П1 может быть x, y и z, а П2 — x2, y2 и z2. В задачах по физике нужно рисовать график, подставлять в константу известные значения и решать уравнения.

Потенциальная энергия заряда q1 в поле точечного заряда

Во время перемещения заряженных частиц по полю из одной точки в другую они совершают некую работу за определенный временной промежуток. Потенциальная энергия в этих точках не зависит от того, какой путь держат заряженные частицы. Энергия первого заряда пропорциональна его модулю. Выражается это все в формуле, представленной на картинке ниже. Задачи решать можно, используя представленную константу и вставляя известные значения.

Потенциальная энергия заряда q1 в поле точечного заряда

Теорема Гаусса

Основной закон в электродинамике, входящий в уравнения Максвелла. Это следствие из кулоновского умозаключения и принципа суперпозиции. По ней вектор напряжения поля движется сквозь произвольное значение замкнутой поверхности, окруженной зарядами. Он имеет пропорциональность сумме заряженных частиц, которые находятся внутри этого замкнутого пространства. Указанный вектор поделен на е0. Все это выражается формулой, указанной ниже.

Теорема Гаусса

Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника

Напряженность суммарного пространства заряженных частиц имеет прямую пропорциональность поверхностному показателю их плотности. Если в задаче требуется найти напряженность, а поверхностная заряженная плотность это сигма, то нужно нарисовать цилиндр и обозначить, что поток сквозь его боковую поверхность равен 0. В таком случае линии напряженности будут параллельны боковой поверхности. Получится, что ф = 2ф, осн =2еs, а 2es =q / 2

ε0.

Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника

Емкость плоского конденсатора

Емкостью называется проводниковая характеристика, по которой электрический заряд может накапливать энергию. Плоским конденсатором называются несколько противоположно заряженных пластин, разделенных диэлектрическим тонким слоем. Емкостью плоского конденсатора считается его характеристика, способность к накоплению электрической энергии.

Обратите внимание! Это физическая величина, которая равна делению заряда на разность потенциалов его обкладки. Зарядом при этом служит заряженная одна пластина.

Если в задаче требуется узнать емкость конденсатора из двух пластин с площадью в 10(-2) квадратных метров и в них находится 2*10(-3) метровый лист, 

εэлектрическая постоянная с 8,85×10-12 фарад на метр и ε=6 — диэлектрическая проницаемость слюды. В таком случае нужно вставить значения в формулу C= ε* εS/d.

Емкость плоского конденсатора

Энергия плоского конденсатора

Поскольку любая частица конденсатора имеет способность запаса энергии, который сохранен на конденсаторной обкладке, вычислить эту самую Е просто, поскольку чтобы элемент зарядился, ему нужно совершить работу. Работа совершается полем. В результате была выведена следующая формула: Еp = А = qEd, где А является работой, d — расстоянием.

Энергия

Формулы для постоянного электрического тока

Постоянный электрический ток не изменяется в величине и направлении. Он используется для расчета замкнутой, однородной цепи, мощности и прочих параметров. Поэтому важно знать формулы для него и основные законы, связанные с ним.

Основной список формул

Закон Ома для участка однородной цепи

Чтобы электрический ток существовал, нужно поле. Для его образования, нужны потенциалы или разность их, выраженная напряжением. Ток будет направлен на снижение потенциалов, а электроны начнут свое передвижение в обратном направлении. В 1826 г. Г. Ом провел исследование и сделал заключение: чем больше показатель напряжения, тем больше ток, который проходит через участок.

К сведению! Смежные проводники при этом проводят электричество по-разному. То есть каждый элемент имеет свою проводимость, электрическое сопротивление.

В результате, согласно теореме Ома, сила тока для участка однородной цепи будет иметь прямую пропорциональность показателю напряжения на нем и обратную пропорциональность проводниковому сопротивлению.

Закон Ома

По формуле I = U / R, где I считается силой тока, U — напряжением, а R — электрическим сопротивлением, последнее значение можно найти, если p * l / S, где p является удельным проводниковым сопротивлением, l — длиной проводника, а S — площадью поперечного проводникового сечения.

Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

Ом сделал формулу и для замкнутой цепи. По ней ток на этом участке из токового источника, имеющего внутреннее и внешнее нагрузочное сопротивление, равен делению электродвижущей силы источника на сумму внутреннего и внешнего сопротивления. Она выглядит так: I = e / R + r, где I является токовой силой, е — ЭДС, R — сопротивлением, а r — внутренней сопротивляемостью источника напряжения.

Обратите внимание! В физическом смысле по этому закону, чем выше показатель ЭДС, тем выше источник энергии, больше скорость движения зарядов. Чем выше сопротивляемость, тем ниже величина тока.

Закон Ома для замкнутой цепи

Работа постоянного тока

Энергия, когда проходит через проводник, упорядоченно двигается в носитель. Во время движения она совершает работу. В результате работой постоянного тока называется деятельность поля, направленная на перенос электрических зарядов по проводнику. Она равна умножению I на совершаемое работой напряжение и время.

Закон Джоуля-Ленца

Когда электричество проходит через какой-то проводник с сопротивляемостью, всегда высвобождается теплота. Количество тепла, которое высвободилось за определенный промежуток времени, определяет закон Джоуля-Ленца. По формуле мощность тепла равняется умножению плотности электричества на напряжение — w =j * E = oE(2).

Обратите внимание! В практическом понимании закон имеет значение для снижения потери электроэнергии, выбора проводника для электроцепи, подбора электронагревательного прибора и использования плавкого предохранителя для защиты сети.

Закон Джоуля-Ленца

Полная мощность, развиваемая источником тока

Мощность — работа, которая совершается за одну секунду времени. Электрическая мощность является физической величиной, которая характеризует скорость передачи с преобразованием электроэнергии.

Работа, которая развивается источником электроэнергии по всей цепи, это полная мощность. Ее можно определить по формуле Р = El, где E считается ЭДС, а I — величиной токовой характеристики.

К сведению! Если есть линейная нагрузка, то полный мощностный показатель равен квадратному корню из квадратов активной и реактивной работы источника. Если есть нелинейная нагрузка, то она равна квадратному корню из квадратов активной и неактивной работы источника.

Полная мощность

В практических измерениях такая работа выражается в киловаттах в час. Используется, чтобы измерять потребление электричества в бытовых и производственных условиях, определять выработанную электрическую энергию в электрическом оборудовании.

Полезная мощность

Максимальная или полезная мощность — та, что выделяется во внешнем промежутке цепи, то есть во время нагрузки резистора. Она может быть применена для выполнения каких-либо задач. Подобное понятие можно применить, чтобы рассчитать, как работает электрический двигатель или трансформатор, который способен на потребление активной и реактивной составляющей.

Полезная мощность

Полезный мощностный показатель можно рассчитать по трем формулам: P = I 2R, P = U2 / r, P = IU, где I является силой тока на определенном участке цепи; U — напряжением на части клемм (зажимов) токового источника, а R — сопротивлением нагрузки или внешней цепью.

Коэффициент полезного действия источника тока

Коэффициентом полезного действия токового источника называется деление полезного мощностного показателя на полный. Если внутреннее сопротивление источника равно внешнему, то половина результатов всей работы будет утеряна в источнике, а другая половина будет выделена на нагрузке. В такой ситуации КПД будет равен 50 %.

Если рассматривать это понятие наиболее полно, то когда электрические заряды перемещаются по замкнутой электрической цепи, источник тока выполняет определенную полезную и полную работу. Совершая первую, он перемещает заряды во внешнюю цепь. Делая вторую работу, заряженные частицы перемещаются по всему участку.

КПД источника тока

Обратите внимание! Полезное действие достигается, когда сопротивление внешней электроцепи будет иметь определенное значение, зависящее от источника и нагрузки. Соотношения полезной работы на полную выражают формулой: η = Аполез / Аполн = Рполез / Рполн = U/ε = R / (R + r).

Первое правило Кирхгофа

Согласно первому закону Кирхгофу, токовая сумма в любом участке электрической цепи равняется нулевому значению. Направленный заряд к узлу положительный, а от него — отрицательный. Алгебраическая токовая сумма зарядов, которые направлены к узлу, равна сумме тех, которые направлены от него. Если перевести это правило, то можно получить следующее определение: сколько тока попадает в узел, столько и выходит из него. Это правило вытекает из закона о сохранности заряженных частиц.

Благодаря решению линейных уравнений на основе кирхгофских правил можно отыскать все токовые значения и напряжения на участках постоянного, переменного и квазистационарного электротоков.

Обратите внимание! В электотехнике правило Кирхгофа имеет особое значение, поскольку оно универсально для решения многих поставленных задач в теории электроцепи. С помощью него можно рассчитать сложные электрические цепи. Применяя его, можно получить систему линейных уравнений относительно токам или напряжениям на всех межузловых ветвях цепей.

Первое правило Кирхгофа

Второе правило Кирхгофа

Второе кирхгофское правило вытекает из первого и третьего максвеллского уравнения. По нему алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах замкнутого участка равна сумме ЭДС, которая входит в него. Если на участке нет ЭДС, то суммарный показатель падения напряжения равен нулевому значению. Если еще проще, то во время полного обхода контура потенциал изменяется. Он возвращается на исходное значение.

Частый случай для участка одного контура — это закон Ома. Составляя уравнения напряжений для контура, требуется подобрать его положительный обход. Чтобы это сделать, нужно знать, что при подборе обхода показатель падения напряжения ветви будет положительным, если обходное направление в ветви совпадает с тем, которое было ранее выбрано. Если оно не совпадает, то показатель напряжения ветви будет отрицательным.

Важно! Второе правило Кирхгофа можно использовать в линейной или нелинейной линеаризованной цепи при любом изменении токов и напряжения.

Второе правило Кирхгофа

В результате, чтобы понять основы физики явлений, электрики, электродинамики и с успехом использовать знания в процессе жизнедеятельности, необходимо знать выведенные теоремы, законы, формулы и правила в области электричества, которые представлены выше. Например, представляя, как выглядит та или иная формула, можно решить любую задачу в учебнике по физике или жизни.

Электрическое поле: определение, типы и свойства

В данной статье вы узнаете что такое электрическое поле, определение, его типы и основные свойства.

Определение

Область вокруг электрического заряда, в которой действует напряжение или электрическая сила, называется электрическим полем или электростатическим полем. Если величина заряда велика, то это может создать огромное напряжение в области.  Электрическое поле обозначается символом E. Единица СИ электрического поля — ньютон на кулон, что равно вольт на метр.

Электрическое поле представлено воображаемыми силовыми линиями. Для положительного заряда силовая линия выходит из заряда, а для отрицательного заряда силовая линия будет двигаться в направлении заряда. Электрическое поле для положительных и отрицательных зарядов показано ниже.

Рассмотрим единичный заряд Q, помещенный в вакуум. Если рядом с Q находится другой заряд q, то согласно закону Кулона на него накладывается сила. Заряд Q создает вокруг него электрическое поле, и когда рядом с ним помещается любой другой заряд, электрическое поле Q прикладывает к нему силу.

Электрическое поле, создаваемое зарядом Q в точке r, определяется как:

где Q — единица заряда,
r — расстояние между зарядами.

Заряд Q прикладывает силу к заряду q, выраженному:

Заряд q также прикладывает равную и противоположную силу к заряду Q.

Типы электрического поля

Электрическое поле в основном подразделяется на два типа. Это однородное электрическое поле и неоднородное электрическое поле.

Однородное электрическое поле

Когда электрическое поле является постоянным в каждой точке, то это поле называется однородным электрическим полем. Постоянное поле получается путем размещения двух проводников параллельно друг другу, и разность потенциалов между ними остается одинаковой в каждой точке.

Неоднородное электрическое поле

Непостоянное в каждой точке поле называется неоднородным электрическим полем. Неоднородное поле имеет разную величину и направления.

Свойства электрического поля

Ниже приведены свойства электрического поля.

  1. Полевые линии никогда не пересекаются друг с другом.
  2. Они перпендикулярны поверхностному заряду.
  3. Поле сильное, когда линии расположены близко друг к другу, и слабое, когда линии поля расходятся друг от друга.
  4. Количество силовых линий прямо пропорционально величине заряда.
  5. Линия электрического поля начинается с положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.
  6. Если заряд одиночный, то они начинаются или заканчиваются на бесконечности.
  7. Кривые линий непрерывны в области без заряда.

Когда электрическое и магнитное поле объединяются, они образуют электромагнитное поле.

Электрическое поле Земли — Источник энергии

Глобальный конденсатор

В природе существует совершенно уникальный альтернативный источник энергии, экологически чистый, возобновляемый, простой в использовании, который до сих пор нигде не используется. Источник этот — атмосферный электрический потенциал.


Наша планета в электрическом отношении представляет собой подобие сферического конденсатора, заряженного примерно до 300 000 вольт. Внутренняя сфера — поверхность Земли — заряжена отрицательно, внешняя сфера — ионосфера — положительно. Изолятором служит атмосфера Земли (Рис.1).

Через атмосферу постоянно протекают ионные и конвективные токи утечки конденсатора, которые достигают многих тысяч ампер. Но несмотря на это разность потенциалов между обкладками конденсатора не уменьшается.

А это значит, что в природе существует генератор (G), который постоянно восполняет утечку зарядов с обкладок конденсатора. Таким генератором является магнитное поле Земли, которое вращается вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра.

Чтобы воспользоваться энергией этого генератора, нужно каким то образом подключит к нему потребитель энергии.

Подключиться к отрицательному полюсу — Земле — просто. Для этого достаточно сделать надежное заземление. Подключение к положительному полюсу генератора — ионосфере — является сложной технической задачей, решением которой мы и займемся.

Как и в любом заряженном конденсаторе, в нашем глобальном конденсаторе существует электрическое поле. Напряженность этого поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли и составляет примерно 150 В/м. С высотой она уменьшается приблизительно по закону экспоненты и на высоте 10 км составляет около 3% от значения у поверхности Земли.

Таким образом, почти всё электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы, у поверхности Земли. Вектор напряженности эл. поля Земли E направлен в общем случае вниз. В своих рассуждениях мы будем использовать только вертикальную составляющую этого вектора. Электрическое поле Земли, как и любое электрическое поле, действует на заряды с определенной силой F, которая называется кулоновской силой. Если умножить величину заряда на напряженность эл. поля в этой точке, то получим как раз величину кулоновской силы Fкул.. Эта кулоновская сила толкает положительные заряды вниз, к земле, а отрицательные — вверх, в облака.

 

Проводник в электрическом поле

Установим на поверхности Земли металлическую мачту и заземлим ее. Внешнее электрическое поле моментально начнет двигать отрицательные заряды (электроны проводимости) вверх, к верхушке мачты, создавая там избыток отрицательных зарядов. А избыток отрицательных зарядов на верхушке мачты создаст свое электрическое поле, направленное навстречу внешнему полю. Наступает момент, когда эти поля сравняются по величине, и движение электронов прекращается. Это значит, что в проводнике, из которого сделана мачта, электрическое поле равно нулю.

Так работают законы электростатики.


Теперь нетрудно подсчитать разность потенциалов между Землей и верхушкой мачты, наведенную внешним электрическим полем (Рис.2.).

Положим высота мачты h = 100 м., средняя напряженность по высоте мачты Еср. = 100 В/м.

Тогда разность потенциалов (э.д.с.) между Землей и верхушкой мачты будет численно равна: U = h * Eср. = 100 м * 100 В/м = 10 000 вольт. (1)

Это — совершенно реальная разность потенциалов, которую можно измерить. Правда, обычным вольтметром с проводами измерить ее не удастся — в проводах возникнет точно такая же э.д.с., как и в мачте, и вольтметр покажет 0. Эта разность потенциалов направлена противоположно вектору напряженности Е электрического поля Земли и стремится вытолкнуть электроны проводимости из верхушки мачты вверх, в атмосферу. Но этого не происходит, электроны не могут покинуть проводник. У электронов недостаточно энергии для того, чтобы покинуть проводник, из которого сделана мачта. Эта энергия называется работой выхода электрона из проводника и для большинства металлов она составляет менее 5 электронвольт — величина весьма незначительная. Но электрон в металле не может приобрести такую энергию между столкновениями с кристаллической решеткой металла и поэтому остается на поверхности проводника.

Возникает вопрос: что произойдет с проводником, если мы поможем избыточным зарядам на верхушке мачты покинуть этот проводник?

Ответ простой: отрицательный заряд на верхушке мачты уменьшится, внешнее электрическое поле внутри мачты уже не будет скомпенсировано и начнет снова двигать электроны проводимости вверх к верхнему концу мачты. Значит, по мачте потечет ток. И если нам удастся постоянно удалять избыточные заряды с верхушки мачты, в ней постоянно будет течь ток. Теперь нам достаточно разрезать мачту в любом, удобном нам месте и включить туда нагрузку (потребитель энергии) — и электростанция готова.


На рис.3 показана принципиальная схема такой электростанции. Под действием электрического поля Земли электроны проводимости из земли движутся по мачте через нагрузку и далее вверх по мачте к эмиттеру, который освобождает их из поверхности металла верхушки мачты и отправляет их в виде ионов в свободное плавание по атмосфере. Электрическое поле Земли в полном соответствии с законом Кулона поднимает их вверх до тех пор, пока они на своем пути не будут нейтрализованы положительными ионами, которые всегда опускаются вниз из ионосферы под действием того же поля.

Таким образом, мы замкнули электрическую цепь между обкладками глобального электрического конденсатора, который в свою очередь подключен к генератору G, и включили в эту цепь потребитель энергии (нагрузку). Остается решить один важный вопрос: каким образом удалять избыточные заряды с верхушки мачты?

Конструкция эмиттера

Простейшим эмиттером может служить плоский диск из листового металла с множеством иголок, расположенных по его окружности. Он «насажен» на вертикальную ось и приведен во вращение.

При вращении диска набегающий влажный воздух срывает электроны с его иголок и таким образом освобождает их из металла.

Электростанция с подобным эмиттером уже существует. Правда, ее энергию никто не использует, с нею борются.
Это — вертолет, несущий на длинном металлическом стропе металлическую конструкцию при монтаже высоких строений. Здесь есть все элементы электростанции, изображенной на рис.3, за исключением потребителя энергии (нагрузки). Эмиттером являются лопасти винтов вертолета, которые обдуваются потоком влажного воздуха, мачтой служит длинный стальной строп с металлической конструкцией. И рабочие, которые устанавливают эту конструкцию на место, прекрасно знают, что прикасаться к ней голыми руками нельзя — «ударит током». И дейсвительно, они в этот момент становятся нагрузкой в цепи электростанции.

Безусловно, возможны и другие конструкции эмиттеров, более эффективные, сложные, основанные на разных принципах и физических эффектах см. рис. 4-5.

Эмиттера в виде готового изделия сейчас не существует. Каждый заинтересованный в этой идее вынужден самостоятельно сконструировать себе свой эмиттер.

В помощь таким творческим людям автор приводит ниже свои соображения по конструкции эмиттера.

Наиболее перспективными представляются следующие конструкции эмиттеров.

 

Первый вариант исполнения эмиттера


Молекула воды имеет хорошо выраженную полярность и может легко захватить свободный электрон. Если обдувать паром заряженную отрицательно металлическую пластину, то пар будет захватывать с поверхности пластины свободные электроны и уносить их с собой. Эмиттер представляет собой щелевое сопло, вдоль которого помещен изолированный электрод А и на который подается положительный потенциал от источника И. Электрод А и острые края сопла образуют небольшую заряженную емкость. Свободные электроны собираются на острых краях сопла под воздействием положительного изолированного электрода А. Проходящий через сопло пар срывает электроны с краев сопла и уносит их в атмосферу. На рис. 4 изображено продольное сечение этой конструкции. Поскольку электрод А изолирован от внешней среды, тока в цепи источника э.д.с. нет. И этот электрод нужен здесь только для того, чтобы вместе с острыми краями сопла создать в этом промежутке сильное электрическое поле и концентрировать электроны проводимости на краях сопла. Таким образом, электрод А с положительным потенциалом является своего рода активирующим электродом. Меняя на нем потенциал, можно добиться нужной величины силы тока эмиттера.

Возникает очень важный вопрос — сколько пара нужно подавать через сопло и не получится ли так, что всю энергию станции придется израсходовать на превращение воды в пар? Проведем небольшой подсчет.

В одной граммолекуле воды (18 мл) содержится 6,02 * 1023 молекул воды (число Авогадро). Заряд одного электрона равен 1,6 * 10 (- 19) Кулона. Перемножив эти величины, получим, что на 18 мл воды можно разместить 96 000 Кулонов электрического заряда, а на 1 литре воды — более 5 000 000 Кулонов. А это значит, что при токе 100 А одного литра воды хватит для работы установки в течение 14 часов. Для превращения в пар такого количества воды потребуется совсем небольшой процент вырабатываемой энергии.

Конечно, прицепить к каждой молекуле воды электрон — задача вряд ли выполнимая, но мы здесь определили предел, к которому можно постоянно приближаться, совершенствуя конструкцию устройства и технологии.

Кроме того, расчеты показывают, что энергетически выгоднее продувать через сопло не пар, а влажный воздух, регулируя его влажность в нужных пределах.

 

Второй вариант исполнения эмиттера

На вершине мачты установлен металлический сосуд с водой. Сосуд соединен с металлом мачты надежным контактом. В середине сосуда установлена стеклянная капиллярная трубка. Уровень воды в трубке выше, чем в сосуде. Это создает электростатический эффект острия — в верхней части капиллярной трубки создается максимальная концентрация зарядов и максимальная напряженность электрического поля.

Под действием электрического поля вода в капиллярной трубке поднимется и будет распыляться на мелкие капельки, унося с собой отрицательный заряд. При определенной небольшой силе тока вода в капиллярной трубке закипит, и уже пар будет уносить заряды. А это должно увеличить ток эмиттера.

В таком сосуде можно установить несколько капиллярных трубок. Сколько потребуется воды — расчеты см. выше.

 

Третий вариант исполнения эмиттера. Искровой эмиттер.

При пробое искрового промежутка вместе с искрой из металла выскакивает облако электронов проводимости.


На рис.5 показана принципиальная схема искрового эмиттера. От генератора высоковольтных импульсов отрицательные импульсы поступают на мачту, положительные — на на электрод, который образует искровой промежуток с верхушкой мачты. Получается нечто подобное автомобильной свече зажигания, но по устройству значительно проще.
Генератор высоковольтных импульсов принципиально мало чем отличается от обычной бытовой газовой зажигалки китайского производства с питанием от одной пальчиковой батарейки.

Главное достоинство такого устройства — возможность регулировать ток эмиттера с помощью частоты разрядов, величины искрового промежутка, можно сделать несколько искровых промежутков и пр.

Генератор импульсов можно установить в любом удобном месте, совсем не обязательно на верхушке мачты.

Но существует один недостаток — искровые разряды создают радиопомехи. Поэтому верхушку мачты с искровыми промежутками нужно экранировать цилиндрической сеткой, обязательно изолированной от мачты.

 

Четвертый вариант исполнения эмиттера

Еще одна возможность — создать эмиттер на принципе прямой эмиссии электронов из материала эмиттера. Для этого нужен материал с очень низкой работой выхода электрона. Такие материалы существуют давно, например, паста из оксида бария-0,99 эв. Возможно, сейчас есть что-либо получше.

В идеале это должен быть комнатнотемпературный сверхпроводник (КТСП), которых пока не существует в природе. Но по разным сообщениям он должен скоро появиться. Здесь вся надежда на нанотехнологии.

Достаточно поместить на верхушку мачты кусок КТСП — и эмиттер готов. Проходя по сверхпроводнику, электрон не встречает сопротивления и очень быстро приобретает энергию, необходимую для выхода из металла (около 5 эв.)

И еще одно важное замечание. По законам электростатики иапряженность электрического поля Земли наиболее высока на возвышенностях — на вершинах холмов, сопок, гор и т. п. В низинах, впадинах и углублениях она минимальна. Поэтому такие устройства лучше строить на самых высоких местах и подальше от высоких строений или же устанавливать их на крышах самых высоких строений.

Еще хорошая идея — поднять проводник с помощью аэростата. Эмиттер, конечно, нужно устанавливать на верху аэростата. В таком случае можно получить достаточно большой потенциал для самопроизвольной эмиссии электронов из металла, придав ему форму отрия, и, значит, никаких сложных эмиттеров в этом случае не потребуется.

Существует еще одна хорошая возможность получить эмиттер. В промышленности применяется электростатическая окраска металла. Распыленная краска, вылетая из распылителя, несет на себе электрический заряд, в силу чего и оседает на окрашиваемый металл, на который подается заряд противоположного знака. Технология отработана.

Такое устройство, которое заряжает распыленную краску, как раз и является настоящим эмиттером эл. зарядов. Остается только приспособить его к описанной выше установке и заменить краску водой, если возникнет необходимомть в воде.

Вполне возможно, что влаги, всегда содержащейся в воздухе, будет достаточно для работы эмиттера.

Не исключено, что в промышленности существуют и другие подобные устройства, которые легко можно превратить в эмиттер.

 

Выводы

В результате наших действий мы подключили потребитель энергии к глобальному генератору электрической энергии. К отрицательному полюсу — Земле — мы подключились с помощью обычного металлического проводника (заземления), а к положительному полюсу — ионосфере — с помощью весьма специфического проводника — конвективного тока. Конвективные токи — это электрические токи, обусловленные упорядоченным переносом заряженных частиц. В природе они встречаются часто. Это и обычные конвективные восходящие струи, которые несут отрицательные заряды в облака, это и смерчи (торнадо). которые тащат к земле сильно заряженную положительными зарядами облачную массу, это и восходящие потоки воздуха во внутритропической зоне конвергенции, которые уносят огромное количество отрицательных зарядов в верхние слои тропосферы. И такие токи достигают очень больших значений.

Если мы создадим достаточно эффективный эмиттер, который сможет освобождать из верхушки мачты (или нескольких мачт), положим, 100 кулонов зарядов в секунду (100 ампер.), то мощность построенной нами электростанции будет равна 1000 000 ватт или 1 мегаватт. Вполне достойная мощность!

Такая установка незаменима в отдаленных поселениях, на метеостанциях и других удаленных от цивилизации местах.

 

• Из вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• Источник энергии является исключительно простым и удобным в использовании.

• На выходе получаем самый удобный вид энергии — электроэнергию.

• Источник экологически чист: никаких выбросов, никакого шума и т.п.

• Установка исключительно проста в изготовлении и эксплуатации.

• Исключительная дешевизна получаемой энергии и еще масса других достоинств.

 

Электрическое поле Земли подвержено колебаниям: зимой оно сильнее, чем летом, ежедневно оно достигает максимума в 19 часов по Гринвичу, также зависит от состояния погоды. Но эти колебания не превышают 20% от его среднего значения.

В некоторых редких случаях при определенных погодных условиях напряженность этого поля может увеличиться в несколько раз.

Во время грозы эл.поле изменяется в больших пределах и может изменить направление на противоположное, но это происходит на небольшой площади непосредственно под грозовой ячейкой.

Автор: Курилов Юрий Михайлович
Источник: http://ntpo.com/

Газ в электрическом поле — Знаешь как

Содержание статьи

В нормальных условиях газ является диэлектриком, так как число свободных электронов и ионов в нем ничтожно.

Воздействие на газ рентгеновских, радиоактивных, космических и других лучей, электрического поля, высокой температуры и других агентов вызывает ионизацию газа. Например, в электрическом поле столкновение (соударение) электрона с нейтральным атомом или молекулой газа может привести к расщеплению нейтрального атома газа на электрон и положительный ион. При этом соударении часть энергии движущегося электрона передается атому газа. Наименьшее количество энергии, необходимое для ионизации атома, определяется потенциалом ионизации. Отщепленный от атома электрон может остаться свободным или присоединиться к нейтральному атому, образуя отрицательный ион.

Рис. 4-11 Схема получения характеристики газового промежутка.

Обратный процесс воссоединения ионов и электронов в нейтральные атомы, называемый деионизацией или рекомбинацией, происходит одновременно с ионизацией газа. Таким образом, при непрерывном действии ионизатора степень ионизации газа остается примерно неизменной.

Если к двум металлическим электродам (рис. 4-11), расположенным в ионизированном газе, приложить постоянное напряжение, то электрическое поле вызовет перемещение положительных ионов в направлении поля, а электронов и отрицательных ионов — в противоположном направлении, т. е. в газовом промежутке будет электрический ток.

Несамостоятельная проводимость

Называется проводимость газа, вызванная действием постороннего ионизатора, наблюдаемая только в течение времени его действия.

При неизменной ионизации постоянным ионизатором повышение напряжения между электродами сначала вызывает пропорциональное увеличение тока (рис. 4-12), затем наблюдается замедление его роста и далее прекращение роста. Ток достигает значения насыщения, при котором не происходит деионизации, а все ионы и электроны, возникающие в процессе ионизации, достигают электродов.

При увеличении напряжения можно получить между двумя электродами напряженность поля, при которой кинетическая энергия электронов mυ2/2 будет достаточной для ионизации нейтральных атомов, т. е. ионизации толчком или ударом. Отщепившиеся электроны, получив достаточное ускорение, ионизируют новые нейтральные атомы и т.д. Процесс образования ионов и электронов развивается лавинообразно и сопровождается резким увеличением тока (рис. 4-12, участок ВГ) до значения, определяемого сопротивлением r0 (рис. 4-11). Напряжение на электродах при этом уменьшается.

Пространство между электродами при разряде заполняется ионизированным газом, в котором содержится примерно одинаковое количество электронов и положительных ионов. Такая среда называется электронно-ионной плазмой или просто плазмой. Плазма обладает хорошей электропроводностью, близкой к электропроводности металлов.

У части электронов кинетическая энергия недостаточна для ионизации атомов газа. В этом случае энергия, полученная атомом при соударений, только возбуждает атом.

Возбужденный атом вскоре отдает избыточную энергию в виде светового излучения, воспринимаемого глазом как свечение газа.

Самостоятельный разряд

В газе может быть вызван электрическим полем достаточно высокой напряженности. При некоторой напряженности, а следовательно, и напряжении, называемом напряжением зажигания, происходит резкое увеличение тока (рис. 4-12, участок ВГ) и начинается свечение газа.

Рис 4-12. Вольт-амперная характеристика газового промежутка.

Различают несколько стадий самостоятельного разряда в газах : темный, тлеющий, искровой и дуговой.

Темный разряд

Возникает, если напряженность поля в какой-либо части его достигает критического значения для данного газа, например на заостренных частях или у поверхности провода малого диаметра. Иногда этот разряд сопровождается свечением — короной и характерным шипящим звуком.

Тлеющий разряд

Как переходящий из темного, получается в приборах при низких давлениях. Он характерен светящимся слоем газа, прилегающего к аноду,— анодное свечение. В длинных стеклянных трубках анодное свечение занимает большую часть трубки и имеет различный цвет в зависимости от газа, например неон дает красный цвет. Такие трубки применяются для рекламного освещения.

Лампы с тлеющим разрядом применяются как индикаторы напряжения. В баллоне, заполненном неоном или аргоном, расположены два металлических электрода. Зажигание лампы происходит при определенном напряжении. Мощность лампы составляет доли ватта.

Искровой разряд

Развивается из темного при повышении напряжения, а следовательно, и напряженности поля и распространения ионизации на всю длину участка между электродами. Искровой разряд проходит по отдельным каналам — путям наименьшего сопротивления. Лавина электронов, движущихся в искровом канале, вызывает резкое повышение температуры и давления, вследствие чего искровой разряд сопровождается характерным треском. Молния представляет собой гигантский искровой разряд.

Искровой разряд вызывает электроэрозию, т. е. вырывание частиц веществ анода. Это явление используется для электроискровой обработки металлов.

Дуговой разpяд

Можно получить и без предварительной стадии, например, между двумя угольными электродами, соединенными с источником питания через ограничивающее сопротивление. Для получения дуги концы углей сближают до соприкосновения. Возникающий ток нагревает до высокой температуры сближенные концы. При раздвигании углей промежуток между ними ионизируется электронами и заполняется плазмой, замыкающей цепь тока. Происходит дальнейший разогрев электродов и в особенности анода, бомбардируемого электронами. Температура анода и плазмы превышает 4 000° С, излучается мощный световой поток.

Плазма имеет большею проводимость, поэтому и при малых напряжениях 15—30 в в цепи проходит большой ток.

При увеличении тока температура и проводимость плазмы увеличиваются, а напряжение на дуге падает. Вольт-амперная характеристика дуги имеет падающий характер (рис. 4-13).

Искровой и дуговой разряды возникают при размыкании электрических цепей, при выключении приемников энергии.

Рис. 4-13. Вольт-амперная характеристика дуги.

Дуговой разряд был открыт в 1802 г, академиком В. В. Петровым. Им же была исследована возможность практического применения ее для освещения и других целей.

Электрическая дуга была применена для освещения П. Н. Яблочковым в 1876 г.

Электрическая дуговая сварка металлов, широко применяемая в нашей стране, является одним из прогрессивных технологических процессов.

Статья на тему Газ в электрическом поле

Электромагнитные поля на рабочем месте / Хабр

Думаю найдутся единицы пользователей разной бытовой техники не знающие, что любая техника, подключённая к обычной бытовой электросети ~220В 50Гц, является источником электромагнитного поля(ЭМП). Да, ЭМП есть, но немногие знают, превышает оно предельно-допустимые нормы(ПДН) или нет. Я являюсь работником одной лаборатории в составе организации, занимающийся Аттестацией рабочих место по условиям труда, возможно, многие слышали, у кого-то она проводилась. В последние пару лет, когда меня допустили до проведения измерений повидал многие рабочие места. Где-то отлично, где-то ужасно. По просьбам трудящихся, расскажу о некоторых результатах измерения ЭМП. Сразу оговорюсь, что не являюсь физиком по образованию и уж совсем тонкостей ЭМП не знаю, тем не менее техническое образование имею.

Итак, средство измерения: Измеритель параметров электрического и магнитного полей «ВЕ-метр-АТ-002», не является супер точным прибором. Прибор позволяет делать одновременные измерения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля в двух полосах частот: от 5 Гц до 2 кГц и от 2 кГц до 400 кГц. Документ, в котором указаны ПДН при работе на компьютере СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03.
Предельно-допустимые нормы ЭМП

Напряженность электрического поля
в диапазоне частот 5 Гц — 2 кГц, Е1 25 В/м
в диапазоне частот 2 кГц — 400 кГц, Е2 2,5 В/м
Плотность магнитного потока
в диапазоне частот 5 Гц — 2 кГц, В1 250 нТл
в диапазоне частот 2 кГц — 400 кГц, В2 25 нТл

В теории если бытовая техника заземлена, то показания ЭМП должны соответствовать ПДН. На практике оно в большинстве случаев так и бывает. Но даже при наличии заземления попадаются исключения.
Пример 1

Имеем контур заземления во всём здании. В каждом кабинете по два-три компьютера. Когда мы начали измерять, то сразу заметили, что показания в общем укладываются в ПДН, но находятся, так сказать, на грани. На некоторых рабочих местах отдельные показатели превышали в два, а то и три раза. Не сразу было понятно в чём дело. Каждый компьютер подключен через источник бесперебойного питания, некоторые беспербойники были включены в сеть через удлинители(Пилоты). На некоторых рабочих местах количество удлинителей доходило до трёх штук))). Сами бесперебойники в основном располагались под ногами у работников, а где и на самом системном блоке. В начале избавились от удлинителя, показания не изменились. Решили попробовать подключить компьютер в обход бесперебойника и О чудо, показания в норме. Недавно эта организация закупила большую партию бесперебойников фирмы APC, на вид они выглядят подобным образом im2-tub-ru. yandex.net/i?id=81960965-39-72
Было непонятно почему от бесперебойника такой уровень ЭМП. Вроде сам имеет заземляющий провод, все розетки также с заземлением. Тем не менее итог таков.
Пример 2

Та же организация, тоже здание. Во многих кабинетах, чтобы скрасить серые будни работников стояли простенькие FM-радиоприёмнки с питанием от электросети, шнур питания без заземления. Некоторые стояли поодаль от компьютеров, какие-то стояли на рабочем столе, рядом с монитором. Проработав некоторые время на замерах уже набираешь опыт и при каких либо отклонениях начинаешь проверять подключение, искать потребителей тока без заземления. Так вот отключив приёмник, показания пришли в норму. Ещё один интересный случай с приёмником там же. Сам радиоприёмник находился от компьютера метрах в двух. Мне непонятно каким образом были распределены электромагнитные поля, но на расстоянии двух метров показания превышали в два раза. Повторили измерения три раза и без изменений. Выключив радиоприёмник, показания пришли в норму.
Пример 3

Другая организация. Ситуация похожая на Пример 2. Обычная ситуация на каждом рабочем месте стоит настольная лампа. В случае даже когда лампа выключена, есть превышения ПДН. Выключаем лампу из розетки, всё приходит в норму.

У нас в офисе два типа ламп, одни дают превышение в 2 раза, другие в 1.5. Это при условии, что они подключены в электрическую сеть, но выключены.
Специально для Вас продемонстрирую результаты с лампой на рабочем месте и без. Используется энергосберегающая лампа. Лампы накаливания в наличии нет.

E1, В/м E2, В/м B1, нТл B2, нТл
Настольная лампа не работает, но включена в электрическую сеть
139 0.39 10 1
122 0.4 10 3
133 0.38 10 3
Настольная лампа работает (увеличение показаний связано с «разогревом» люминисцентной лампы после включения)
66 8. 9 10 3
79 11.4 10 4
86 12.9 10 4
Лампа отключена от сети. Показания работающего монитора
4 0.02 10 1
Пример 4

Есть такие беспроводные мышки, более того без питания. Так называемая индукционная мышь. Она работает с помощью специального индукционного коврика, и питаются индукционным способом. При замере я можно сказать офигел, потому что никогда не видел таких показаний по магнитной составляющей. Превышение в 15 раз. Отключаем мышь, т.е. коврик и показания в норме. Если не ошибаюсь, многие графические планшеты работают на том же принципе.
Излучение от телефона

Несколько слов про это. Прибор: Измеритель уровней электромагнитных излучений «ПЗ-31».
Делали измерения чисто для себя. В момент соединения базовой станции с телефоном, телефон в этот момент ещё не подаёт признаков звонка, идёт сильное превышение, далее через несколько секунд излучение приходит в норму. Вывод один, при наборе номера, в первые секунды не стоит держать телефон у головы. Да, время воздействия достаточно мало, но лично мне теперь боязно сразу же после набора номера прислонять телефон к уху.
Итог

Я привёл наиболее частые и интересные примеры. Часто встречается такой вариант, есть заземляющий контур, но компьютеры подключены через обычный удлинитель без земли, соответственно присутствуют превышения. Меняем на удлинитель с землёй и всё приходит в норму. Не могу высказать никаких предпочтений по поводу качественных удлинителей с землёй, все они в той или иной мере справляются со своими задачами. Как видите, существуют проблемы с источниками бесперебойного питания и с настольными лампами. Даже звуковые колонки не вносят таких помех как настольные лампы. Тут тоже не выскажу ни каких рекомендаций, так как каждый образец нужно исследовать отдельно.

По поводу ЖК мониторов и с ЭЛТ. Если заземление имеется, то неважно, какой тип монитора, показатели должны быть в норме. Без заземления у мониторов с ЭЛТ показатели несколько выше ЖК мониторов.

Специально для трудящихся из поста, которые подкинули идею написать эту статью, померил розетку, куда подключены свитч и роутер. Конечно, применение ПДН для мониторов чисто условно. Сделал только по одному замеру, чтобы хотя бы оценить величину.

E1, В/м E2, В/м B1, нТл B2, нТл
Включены роутер и свитч
36 0.15 1330 8
Включён только роутер
23 0.01 520 2
Отключены оба
1 0.01 10 1

Как видим превышает магнитная составляющая из-за наличия в блоках питания трансформаторов. Что делать? Помимо того, что я не физик, я ещё и не радио-техник)). Видимо каким-то образом нужно экранировать трансформаторы.

PS Ввиду того, что сами медики не могут определиться какой же вред наносит ЭМП. Поэтому в том же СанПиНе рекомендуется при активной работе за компьютером после каждого часа делать 5-15 минут перерыва.
По поводу мифа, что кактус уменьшает излучение. Хочу вас расстроить, но это не так.

UPD: исправлено на электромагнитные поля, так будет правильно.

Электрическое поле. Постоянный и переменный электрический ток. физические основы реографии (стр. 1 из 2)

1. Понятие об электрическом поле. Силовая и энергетическая характеристики электрического поля

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q1·q2/r2. При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.

Выделяют следующие характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]

Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε0εr2) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле; ε0 = 8, 84*10-12 Ф/м- электрическая постоянная; ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r - расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.

За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.

2. энергетическая характеристика электрического поля – потенциал.

В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = Wp/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε0εγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.

Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

2. Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на:

- проводники электрического тока

- полупроводники

- изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды. Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).

Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов. Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.

Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.

3. Электрический ток

Основной характеристикой электрического тока является сила тока – количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени. Iср = Δq/Δt или для мгновенной силы тока : I = dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (A). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (мА). 1 мА = 0, 001 A. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.

Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.

Различают:

- Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени. Источниками постоянного тока являются генераторы, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на концах проводника.

- Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц: I = Imax·cos(ωt + φ0).

Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, или электрическому напряжению (U): I = U/R.

Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D).

Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника является функцией его размера, формы, строения и температуры. Величина сопротивления провода: R = ρ(1/S) (5)

, где l – длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника. Константа прямой пропорциональности ρ называется удельным сопротивлением [ом·м] . Она зависит только от свойств вещества и температуры. Обратной величиной удельному сопротивлению является удельная электропроводность (γ) [ом-1·м-1] .

На основе удельной электропроводности характеризуют свойство веществ проводить электрический ток. Хорошие проводники тока имеют высокую удельную электропроводность. Изоляторы, или диэлектрики, имеют низкую удельную электропроводность. Полупроводники имеют промежуточную удельную электропроводность. Используя удельную электропроводность, как характеристику вещества, можно представить закон Ома в другой форме: J = γE.

Из формулы следует, что плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (Е), создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника (γ).

Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей

Плотность тока в растворе электролитов определяется электрическим зарядом положительных и отрицательных ионов, их концентрациями и скоростями движения в электрическом поле: J = q+n+v+ + q-n-v.

Если принять, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то J = qn(v+ + v-)(8)

Скорость v ионов пропорциональна напряженности электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, является функцией размера, степени гидратации ионов, вязкости растворителя:

v = uE (9)

Тогда J = qn(u+ + u-)·E (10).

Это выражение является законом Ома для растворов электролитов.

Хотя сопротивление биологических тканей постоянному электрическому току велико, и по удельной электропроводности биологические ткани близки к диэлектрикам, для объяснения различий в электропроводности различных тканей, их рассматривают как проводники 2 рода, носителями заряда в которых служат ионы.

Биологические ткани не различаются существенно по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Поэтому ткани разнородны с точки зрения их электрических свойств. Мембраны клеток препятствуют перемещению ионов. Их электрическое сопротивление является наибольшим. Кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость характеризуются низким сопротивлением электрическому току. Внутренние органы, содержащие много воды (мышцы, печень, почки, и т.п.), также имеют сравнительно низкое сопротивление. Но сопротивление таких тканей, как кожа и кости, очень высокое. Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. Он распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и через мышцы.

Электрическая постоянная - Wikiversity

Электрическая постоянная , или диэлектрическая проницаемость вакуума, ранее называемая абсолютной диэлектрической проницаемостью и диэлектрической проницаемостью вакуума, является физической постоянной, скалярной величиной, которая:

Электрическая постоянная имеет размерность фарад на метр. {- 12}} Ф / м.

Электрическая постоянная появляется в уравнениях Максвелла в вакууме, которые описывают свойства электрических и магнитных полей, а также электромагнитного излучения и связывают поля с их источниками.

В веществе используются материальные уравнения электромагнитного поля, в то время как поле электрического смещения D выражается через электрическую постоянную, вектор напряженности электрического поля E и вектор плотности поляризации P :

D = ε0 E + P.{\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ \ mathbf {E} + \ mathbf {P}.}

Как правило, мы можем считать, что P = ε0χE {\ displaystyle \ mathbf {P } = \ varepsilon _ {0} \ chi \ mathbf {E}}, где величина χ {\ displaystyle \ chi} представляет собой тензор и называется электрической поляризуемостью. Это выражение означает, что вектор плотности поляризации как определенная реакция вещества порождается вектором напряженности электрического поля в веществе, а направления этих векторов могут не совпадать.

В слабом поле величина χ {\ displaystyle \ chi} имеет специальное название "электрическая восприимчивость" и почти постоянна в зависимости от типа материи и ее состояния. В этом случае мы можем написать:

D знак равно ε0 E + ε0χE = ε0 (1 + χ) E = ε0εrE = εaE. {\ Displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ \ mathbf {E} + \ varepsilon _ {0} \ чи \ mathbf {E} = \ varepsilon _ {0} (1+ \ chi) \ mathbf {E} = \ varepsilon _ {0} \ varepsilon _ {r} \ mathbf {E} = \ varepsilon _ {a} \ mathbf {E}.}

Произведение электрической постоянной на относительную диэлектрическую проницаемость εr {\ displaystyle \ varepsilon _ {r}} в этом выражении называется абсолютной электрической проницаемостью εa {\ displaystyle \ varepsilon _ {a}} .{2}}} {\ frac {\ mathbf {r} _ {12}} {r_ {12}}},}

, где r12 {\ displaystyle r_ {12}} - расстояние между зарядами q1 {\ displaystyle q_ {1}} и q2 {\ displaystyle q_ {2}}. Если r12 {\ displaystyle \ mathbf {r} _ {12}} - это вектор, направленный от заряда q1 {\ displaystyle q_ {1}} к заряду q2 {\ displaystyle q_ {2}}, то сила F12 {\ displaystyle \ mathbf {F} _ {12}} будет силой, действующей на заряд q2 {\ displaystyle q_ {2}} от заряда q1 {\ displaystyle q_ {1}}. Из выражения для силы видно, что электрическая постоянная в системе физических единиц СИ связывает электрический заряд с механическими единицами, такими как сила и расстояние.

Выражение через параметры вакуумного поля [править | править источник]

В концепции силового вакуумного поля [2] предполагается, что электрогравитационный вакуум заполнен потоками частиц, которые создают гравитационные и электромагнитные силы между телами. В частности, потоки заряженных частиц - праонов, движущихся с релятивистскими скоростями и передающих свой импульс заряженному веществу, считаются ответственными за возникновение кулоновской силы.{32}} Дж / м³ - плотность энергии потоков праонов для сферического распределения.

Отсюда следует, что электрическая постоянная является динамической переменной, зависящей от параметров частиц вакуумного поля.

  1. ↑ CODATA Значение: электрическая постоянная. Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. Национальный институт стандартов и технологий США. Июнь 2015. Дата обращения 25 сентября 2015. Рекомендуемые значения CODATA на 2014 год.
  2. ↑ Федосин С.Г. Силовое вакуумное поле как альтернатива эфиру и квантовому вакууму.Протоколы WSEAS по прикладной и теоретической механике, ISSN / E-ISSN: 1991-8747 / 2224-3429, том 10, ст. # 3, стр. 31-38 (2015).
  3. ↑ Федосин С.Г. Заряженная составляющая вакуумного поля как источник электрической силы в модернизированной модели Ле Сажа. Журнал фундаментальных и прикладных наук, Vol. 8, No. 3, pp. 971-1020 (2016). http://dx.doi.org/10.4314/jfas.v8i3.18, https://dx.doi.org/10.5281/zenodo.845357.

Константа связи - Викиверситет

Константа взаимодействия (или константа взаимодействия) - это параметр в теории поля, который определяет относительную силу взаимодействия между частицами или полями.В квантовой теории поля константы связи связаны с вершинами соответствующих диаграмм Фейнмана. Безразмерные параметры используются как константы связи, а также связанные с ними величины, которые характеризуют взаимодействие и имеют размеры. Примерами являются безразмерная постоянная тонкой структуры электромагнитного взаимодействия и электрический элементарный заряд, измеряемый в кулонах (Кл).

Сравнение взаимодействий [править | править источник]

Если мы выберем объект, который участвует во всех четырех фундаментальных взаимодействиях, значения безразмерных констант связи этого объекта, найденные в соответствии с общим правилом, покажут относительную силу этих взаимодействий.На уровне элементарных частиц в качестве такого объекта чаще всего используется протон. Базовая энергия для сравнения взаимодействий - это электромагнитная энергия фотона, которая по определению равна:

Uf = hcλ, {\ displaystyle U_ {f} = {\ frac {hc} {\ lambda}},}

, где h {\ displaystyle ~ h} - постоянная Планка, c {\ displaystyle ~ c} - скорость света, λ {\ displaystyle ~ \ lambda} - длина волны фотона. Выбор энергии фотона не случаен, поскольку в основе современной науки лежит волновое представление на основе электромагнитных волн. {2}} {r}},}

где G {\ displaystyle ~ G} - гравитационная постоянная, Mp {\ displaystyle ~ M_ {p}} - масса протона, r {\ displaystyle ~ r} - величина расстояние между центрами протонов.

Если предположить, что расстояние r {\ displaystyle ~ r} и длина волны электромагнитного фотона λ {\ displaystyle ~ \ lambda} связаны формулой λ = 2πr {\ displaystyle ~ \ lambda = 2 \ pi r}, тогда отношение абсолютного значения энергии гравитационного взаимодействия к энергии фотона дает безразмерную константу связи:

αg = ∣Ug∣Uf = GMp2ℏc = 5.{-3}.}

Сильное взаимодействие [править | править источник]

На уровне адронов сильное взаимодействие рассматривается в Стандартной модели физики элементарных частиц как «остаточное» взаимодействие кварков, входящих в состав адронов. Предполагается, что глюоны как переносчики сильного взаимодействия порождают виртуальные мезоны в пространстве между адронами. В пион-нуклонной модели взаимодействия Юкавы ядерные силы между нуклонами объясняются как результат обмена виртуальными пионами, а энергия взаимодействия имеет следующий вид:

Us = −gNπ24πrexp⁡ (−Mπcrℏ), {\ displaystyle U_ {s} = - {\ frac {g_ {N \ pi} ^ {2}} {4 \ pi r}} \ exp (- {\ frac {M _ {\ pi} cr} {\ hbar}}),}

где gNπ {\ displaystyle ~ g_ {N \ pi}} - эффективный заряд псевдоскалярного взаимодействия пион-нуклон, Mπ {\ displaystyle ~ M_ {\ pi}} - масса пиона. {2}} {4 \ pi \ hbar c}} \ приблизительно 14 {.} 6.}

Константы в квантовой теории поля [править | править источник]

Эффекты взаимодействия в теории поля часто определяют с помощью теории возмущений, в которой выполняется разложение функций в уравнениях по степеням константы связи. Обычно для всех взаимодействий, кроме сильного, константа связи значительно меньше единицы. Это делает использование теории возмущений эффективным, поскольку вклад высших членов разложений быстро уменьшается, и их вычисление становится ненужным.В случае сильного взаимодействия теория возмущений становится непригодной и требуются другие методы расчета.

Одним из предсказаний квантовой теории поля является так называемый эффект «плавающих констант», согласно которому константы связи медленно изменяются с увеличением энергии, передаваемой при взаимодействии между частицами. Таким образом, константа электромагнитной связи увеличивается, а константа сильного взаимодействия уменьшается с увеличением энергии. {2}} {4 \ pi \ hbar c}} <1,}

где gqg {\ displaystyle ~ g_ {qg}} - эффективный цветовой заряд кварка, испускающего виртуальные глюоны для взаимодействия с другими кварками.

По мере того, как расстояние между кварками уменьшается из-за столкновений частиц высоких энергий, происходит логарифмическое уменьшение αsq {\ displaystyle ~ \ alpha _ {sq}} и ослабление сильного взаимодействия (эффект асимптотической свободы кварков) ожидаемые. [1] В масштабе переданной энергии порядка массы-энергии Z-бозона (91.19 ГэВ) было обнаружено, что αsq = 0,1187. {\ Displaystyle ~ \ alpha _ {sq} = 0,1187.} [2] При той же шкале энергий константа связи электромагнитного взаимодействия увеличивается до значения порядка 1 / 127 вместо ≈1 / 137 при низких энергиях. Предполагается, что при более высоких энергиях, порядка 10 18 ГэВ, значения констант связи гравитационного, слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий частиц станут ближе и даже станут примерно равными друг другу.

Константы в других теориях [править | править источник]

Теория струн [править | править источник]

В теории струн константы связи рассматриваются не как постоянные, а как динамические величины. В частности, в той же теории при низких энергиях кажется, что струны движутся в десяти измерениях, а при высоких энергиях - в одиннадцати. Изменение числа размеров сопровождается изменением констант связи. [3]

Сильная гравитация [править | править источник]

Сильная гравитация вместе с гравитационным торсионным полем и электромагнитными силами считаются основными компонентами сильного взаимодействия в гравитационной модели сильного взаимодействия.В этой модели вместо рассмотрения взаимодействий кварков и глюонов учитываются только два фундаментальных поля (гравитационное и электромагнитное), которые действуют в заряженной материи элементарных частиц, обладающих массой, а также в пространстве между ними. В этом случае кварки и глюоны, согласно модели кварковых квазичастиц, рассматриваются не как реальные частицы, а как квазичастицы, отражающие квантовые свойства и симметрию, присущие адронной материи. Такой подход значительно уменьшает количество (рекордное количество для физической теории) недоказанных, но постулируемых свободных параметров, которые существуют в стандартной модели физики элементарных частиц, где таких параметров не менее 19.

Еще одно следствие состоит в том, что слабые и сильные взаимодействия не считаются независимыми полевыми взаимодействиями. Сильное взаимодействие сводится к комбинации гравитационных и электромагнитных сил, в которых важную роль играют эффекты задержки взаимодействий (дипольные и орбитальные торсионные поля и магнитные силы). Соответственно, константа сильной связи определяется по аналогии с константой связи гравитационного взаимодействия: [4]

αpp = ∣UΓ∣Uf = βΓMp2ℏc = αβMpMe = 13.{2}} {\ hbar c}} = {\ frac {\ alpha \ beta M_ {p}} {M_ {e}}} = 13 {.} 4 \ beta,}

где Γ {\ displaystyle ~ \ Gamma} - постоянная сильной гравитации, Me {\ displaystyle ~ M_ {e}} - масса электрона, β {\ displaystyle ~ \ beta} - коэффициент, который равен 0,26 для взаимодействия двух нуклонов и имеет тенденцию до 1 для тел с меньшей плотностью вещества.

Что касается слабого взаимодействия, то предполагается, что оно является результатом трансформации материи элементарных частиц, которая происходит за счет реакций слабого взаимодействия, но на более глубоком уровне материи.Примеры слабого взаимодействия с нуклонами рассмотрены в субстанциональной модели нейтрона и субстанциональной модели протона.

Взаимодействия на уровне звезд [править | править источник]

Среди звёздных постоянных, описывающих квантование параметров космических систем в водородной системе звёзд, есть две безразмерные константы. Один из них определяет постоянную тонкой структуры звезды α {\ displaystyle ~ \ alpha}, а другой определяет относительную силу взаимодействия между двумя звездами.{30}} кг - масса магнетара, Md = 1,5⋅10

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ - Большая Химическая Энциклопедия

Сущность ot - это так называемая калибровочная константа изомерного сдвига, c - скорость света, Co - электрическая постоянная, а Eq - энергия ядерного перехода. (Постоянная Кулона k = l / (47rco), которая была опущена в (4.1), вставляется сюда заново.) Исчерпывающий вывод этого выражения можно найти в [8, 9]. [Pg.80]

Вставка числовых значений для элементарного заряда e, скорости света c и электрической постоянной Eq, используя... [Pg.544]

Конституция XV для сахарозы до сих пор удовлетворяет все предъявляемые к ней требования. Как и его предшественники, I и II (стр. 6), он не был несовместим с физическими свойствами сахарозы, такими как магнитное вращение или парахор, хотя последнее утверждение было отвергнуто. Фон Липпманн перечисляет очень много ранних определений физических свойств сахара, более поздние измерения включают теплоту сгорания, молекулярную массу жидкого аммиака и различные оптические и электрические константы.... [Стр.16]

Ходжкин А.Л., Раштон В.А. Электрические константы нервного волокна ракообразных. Proc R Soc Lond [B] 1946 133 444-479. [Pg.128]

Weidmann S Электрические константы волокон Пуркинье. J. Physiol (Лондон) 1952 г., 118 348-360. [Pg.138]

РИСУНОК 3.12 Распределенное постоянное представление линий электропередачи на высоких частотах, где c, 1 и r - электрические константы для единицы расстояния. [Pg.64]

Потребляемая мощность электролизеров и выходная мощность кислородно-водородных турбин могут быть изменены очень быстро по сравнению с традиционными технологиями производства пиковой электроэнергии.Следовательно, эти системы могут использоваться для регулирования мощности для производства электроэнергии более высокого качества (постоянного напряжения и частоты). Это очень дорогая коммунальная услуга. [Pg.162]

U - потенциал потока, p - давление, eT и sp - диэлектрическая проницаемость и электрическая постоянная соответственно. rj - вязкость, k - проводимость раствора. Поскольку для прибора требуется минимальная проводимость раствора, измерения проводились при концентрации фонового электролита (KC1) от 10-5 до 10-3 М.[Стр.84]

Свободные радикалы можно обнаружить с помощью прямого ЭПР (при комнатной температуре и низкой температуре) и с помощью спинового захвата. Измерение СОЭ при комнатной температуре в тканях сердца с использованием обычного СОЭ невозможно из-за высокой электрической постоянной воды, которая является основным компонентом тканей сердца. Поэтому приходится использовать низкотемпературные измерения СОЭ для тканей сердца. Очевидный недостаток низкотемпературной СОЭ, особенно в том, что касается обнаружения свободных радикалов, заключается в том, что замороженная ткань должна быть механически обработана перед анализом СОЭ.Это вызвало значительную путаницу и ошибочные выводы в литературе по свободным радикалам миокарда, о чем будет сказано ниже. [Pg.338]

Ссылки прилагаются к исследованиям растворимости бромида натрия в органических растворителях, 2 и другим материалам, касающимся таких свойств его водных растворов, как удельная теплоемкость, 3 плотность, 4 показатель преломления, 8 давление пара, 6 молекулярное понижение точки замерзания7 и повышение температуры кипения, 8 электрические константы, 9 и влияние диоксида серы на растворимость бромида.10 ... [Pg.100]

Таким образом, химический состав растворов аммиака практически аналогичен химическому составу водных растворов. Принципиальные отличия заключаются в повышенной основности аммиака и его сниженной электрической постоянной. Последняя не только снижает растворимость ионных материалов, но и способствует образованию ионных пар и ионных кластеров. Следовательно, даже сильные кислоты, основания и соли имеют высокую концентрацию. [Стр.193]

Бкман и Россини (1) измерили энтальпию сгорания ромбической серы до SO2.и электрические константы, хотя и незначительные, были сделаны. [Pg.1672]

Параметр sq называется диэлектрической проницаемостью свободного пространства или электрической постоянной и имеет значение 8,85419 X IQ-12 q1 jvj-1 j -1 ggg, сноска в Разделе 13.3.1 для более полного объяснения электростатического заряда. условности, соблюдаемые в этой книге. [Стр.55]

Такое определение ампера могло бы быть следующим: Ампер, единица электрического тока, таков, что элементарный заряд равен 1,60217653 x 10 кулонов. Это определение определяет ампер, потому что, по крайней мере, в принципе, можно было бы подсчитать количество электронов, проходящих через поверхность, и поскольку величина заряда, переносимого каждым электроном, была бы известна, также был бы известен ток.Одним из следствий этого определения является то, что электрическая постоянная eo и магнитная постоянная ro больше не будут точными величинами, а будут определяться экспериментально с помощью выражений ... [Pg.33]

RПостоянная Ридберга me и trip равны соответственно, массы электрона и протона Rp - зарядный радиус протона, а kQ - комптоновская длина волны электрона, a - постоянная тонкой структуры ef 2 Qhc), где e - заряд электрона, например электрическая постоянная, c - скорость света , h - постоянная Планка.Постоянная Ридберга может быть выражена через другие константы как mect 2h) ... [Pg.255]

Спирты и вода, очевидно, довольно близки по основности. Эффекты среды, рассчитанные по изменению электрической постоянной, примерно соответствуют экспериментальным значениям. Для других растворителей в таблице 3.3.3 очевидно, что предсказания электростатического разряда не соответствуют действительности. Кислый растворитель HCO2H намного менее щелочной, чем вода, и имеет очень большой положительный средний эффект. Выражаясь в терминах 7, неудача модели Борна представляет собой впечатляющее предсказанное значение 2, наблюдаемое значение 8 X 10.Ацетонитрил и ацетон также менее щелочные, чем вода. Формамид, гидразин и аммиак, более основные, чем вода, стабилизируют протон и имеют отрицательные значения среднего эффекта. [Pg.341]


Диэлектрики в электрическом поле | IntechOpen

2.1. Электропроводность

Основными свойствами диэлектрика в электрическом поле являются проводимость, поляризация, рассеяние и пробой. Хотя обычно диэлектрический материал является хорошим изолятором, все же некоторые заряды проходят через весь материал под действием электрического поля, что называется током утечки.В поле постоянного тока (dc) ток может быть постоянным для материала. Если обнаруженный ток равен I , когда напряжение U приложено к материалу, проводимость G материалов составляет I / U . Если материал имеет регулярную пластинчатую структуру с поверхностью A и толщиной t , проводимость σ материала составляет:

σDC = IUdAE1

Это свойство также может быть выражено объемным удельным сопротивлением ρ , которое обратно пропорционально проводимости:

ρ = UIAdE2

Как проводимость, так и удельное сопротивление являются электрическими свойствами для всех материалов, то есть проводника, полупроводника и изолятора.Из-за различного механизма проводимости существует огромный разрыв между проводимостью разнородных материалов, что хорошо понимается теорией энергетических зон. Электропроводность проводника может достигать 10 9 См / м; проводимость хороших изолирующих диэлектриков может составлять 10 −18 См / м.

Проводимость по постоянному току в диэлектриках связана с прыжковым переходом дефектных носителей заряда и, следовательно, сильно зависит от температуры:

σDC = σ0e − Ea / kBTE3

Здесь kB - постоянная Больцмана, T - температура, Ea, - энергия тепловой активности.Подгоняя экспериментальную дату с формулой. 3, подобранная энергия активации Ea дает информацию о носителях тока.

Проводимость диэлектриков в поле переменного тока связана с мнимой частью диэлектрической проницаемости, которая вводится в разделе 3. Поскольку для диэлектриков требуется изоляция, при исследовании диэлектриков проводимость не учитывается. Однако в некоторых случаях это имеет решающее значение для диэлектрических свойств [7].

2.2. Поляризация

Поляризация - это уникальные электрические свойства диэлектриков, в зависимости от того, какое понятие определено. Существуют различные типы поляризации, то есть электронная поляризация, ионная поляризация, ориентационная поляризация, интерфейсная поляризация, спонтанная поляризация и так далее.

В диэлектриках, если один положительный заряд + q и соответствующий отрицательный заряд - q разделены расстоянием d , создается электрический диполь с величиной p = qd .Это вектор с направлением от отрицательного заряда к положительному. Этот диполь может быть вызван электрическим полем, например, при электронной поляризации или ионной поляризации, но он также может быть постоянным, как в полярных молекулах и сегнетоэлектриках. После введения электрического диполя поляризация в материале может быть определена как сумма индивидуальных дипольных моментов p , деленная на объем V материала:

P = ∑pVE4

Из этого определения мы можем видеть, что Величина поляризации равна плотности поверхностного заряда, фактически в зависимости от которой спонтанная поляризация сегнетоэлектриков измеряется электрическим мостом Сойера-Тауэра.

Для всех диэлектриков в электрическом поле взаимные смещения ядер и электронов вызывают электронную поляризацию, которая происходит за очень короткое время, то есть 10 −14 –10 −16 с. Электронная поляризация существует для всех материалов. В ионных кристаллах относительное разделение катиона и аниона индуцируется электрическим полем, которое называется ионной поляризацией. Ионная поляризация также нарастает за очень короткое время, то есть 10 −12 –10 −13 с.

В некоторых молекулах не совпадают центры положительного и отрицательного заряда, что называется полярной молекулой. В полярных молекулах существуют постоянные диполи, которые могут как-то вращаться под действием электрического поля. В состоянии теплового равновесия диполи ориентируются случайным образом, и, таким образом, суммарная поляризация отсутствует. При приложении внешнего электрического поля эти диполи в некоторой степени выравниваются по нему. Таким образом индуцируется ориентационная поляризация. Время отклика этих постоянных диполей меняется от материала к материалу, то есть 10 −2 –10 −12 с.Например, в воде при 300 К время отклика составляет около 5 × 10 −11 с.

Поляризация границ раздела, которую также называют поляризацией пространственного заряда, возникает на границе раздела двух или более гетерогенных сред, то есть между электродами и диэлектриками, между различными диэлектриками, между границами зерен в керамике и т. Д. Электроны, ионы и другие дефекты ловушки на этих участках, которые медленно реагируют на электрическое поле переменного тока. Время отклика варьируется от случая к случаю, то есть 10 7 –10 –6 с.

В сегнетоэлектриках, от высокотемпературной параэлектрической фазы до низкотемпературной сегнетоэлектрической фазы, постоянный диполь присутствует из-за нарушения симметрии без электрического поля, что называется спонтанной поляризацией. Спонтанная поляризация может быть обращена внешним электрическим полем, что делает сегнетоэлектрики умным материалом с множеством интересных свойств.

В целом связь между поляризацией P и электрическим полем E следующая [12]:

P = εχE + высшие члены в EE5

, где ε0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, а χ - восприимчивость.Уравнение не учитывает спонтанную поляризацию сегнетоэлектриков. Для большинства диэлектриков первый член является доминирующим. Высшие члены обычно опускаются, за исключением нелинейных диэлектриков.

Из уравнения. Из (5) видно, что χ представляет поляризуемость. Но наиболее широко используемым параметром является диэлектрическая проницаемость ε :

ε = DEE6

Здесь D - электрическое смещение. А в технике используется относительная диэлектрическая проницаемость εr = ε / ε0 , или, в более общем смысле, диэлектрическая проницаемость, поскольку ε слишком мала в единицах СИ.

Для конденсатора электрическое смещение равно поверхностной плотности заряда. Представьте себе плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных электродов с поверхностью S и расстоянием d . Когда приложено напряжение В, и между электродами нет диэлектрического материала, поверхностная плотность заряда Q 0 = ε0V / t появляется в соответствии с законом Гаусса. Если между двумя электродами залить диэлектрический материал с чувствительностью χ , он вносит вклад в поверхностную плотность заряда Q d = P = ε0χV / t .В результате общий заряд поверхности равен сумме двух: Q = ε0 (1 + χ) V / t. В результате, комбинируя уравнения. Используя формулы (5) и (6), мы можем получить связь между относительной диэлектрической проницаемостью εr и восприимчивостью χ :

εr = 1 + χE7

И εr , и χ являются параметрами, описывающими поляризуемые свойства диэлектрики в электрическом поле.

2.3. Диэлектрическое рассеяние

В электрическом поле переменного тока через конденсатор протекает ток двух типов: так называемый ток поляризации I P и ток проводимости I R .В этом случае диэлектрическая проницаемость выражается комплексным числом:

εr = εr'-iεr ″ E8

Первый член по-прежнему называется диэлектрической проницаемостью, а второй член называется мнимой частью диэлектрической проницаемости. Когда электрическое поле переменного тока E = E 0 eiωt ( E 0 - постоянная величина, ω = 2πf и f - частота), приложенное к диэлектрическому материалу, его эквивалентную схему можно представить, как показано на рисунке 1.Ток I P протекает через емкость, экономящую энергию, в то время как ток I R протекает через сопротивление, рассеивая энергию. Если поверхность конденсатора составляет S , а его толщина составляет d , ток поляризации равен IP = iωε0ε0εr'SE0eiωt, а ток проводимости IC = ωε0εr ″ SE0eiωt, что означает, что фаза поляризационного тока продвигается к приложенному электрическому току. поле на 90 o , в то время как ток проводимости сохраняет ту же фазу, что и приложенное электрическое поле.Отношение между ними определяет диэлектрическое рассеивание, также называемое диэлектрическими потерями, или тангенс угла потерь tanδ :

tanδ = ICIP = εr ″ εr'E9

Рисунок 1.

Эквивалентная схема для диэлектрического конденсатора.

Ток проводимости обычно вреден для приложений. Таким образом, предстоит много работы по снижению диэлектрических потерь.

2.4. Пробой

В очень сильном электрическом поле ток проводимости значительно увеличивается. Наконец, диэлектрик переходит в неравновесное состояние с высокой проводимостью, которое называется пробоем.Математически это может быть выражено как:

dIdU → ∞ ordUdI → 0E10

Если материал толщиной d и пробой при напряжении UB , поле пробоя материала составляет UB / d , которое меняется от материала к материалу, то есть ~ МВ / м для керамики, ~ 10 МВ / м для керамической тонкой пленки и ~ 100 МВ / м для полимеров. Поле пробоя также называют диэлектрической прочностью. Для большинства материалов пробой обычно вызывается порами, примесями и другими дефектами из-за электрических неоднородностей.Таким образом, управление обработкой критически важно для получения высокого поля пробоя. Ковалентные соединения обычно имеют большее поле пробоя, чем ионные соединения. До сих пор пробивное поле 1,2 ГВ / м, полученное в SiO 2 -BaO-B 2 O 3 -Al 2 O 3 , стекло, возможно, является самым высоким значением для диэлектриков [13].

За исключением электрического поля, нагрев также вызывает пробой. Термический пробой происходит, когда материал не может эффективно рассеивать выделяемое тепло. Во многих случаях поломка сопровождается как электрическими, так и тепловыми пробоями.Распад также имеет случайность, которую можно описать распределением Вейбулла.

Набор задач - электрические поля

1.

(а) Найдите величину и направление силы + Q на q o при (i) P 1 и (ii) P 2 на Рис. 1a ниже.(б) Найдите величину и направление силы -Q на q o при (i) P 1 и (ii) P 2 на рисунке 1b ниже. Возьмем Q = 2 x 10 -6 C и q o = 10 -12 C.

2.

А теперь представьте, что все символы + q o удалены с рис.1 выше. Найдите величину и направление электрического поля (а) на рис. 1а и (б) на рис. 1b при P 1 и P 2.

3.

(а) Найдите электрическое поле в точке P на рис. 2 ниже.(b) Повторите для q 2 = +1 нКл.

4.

На рис. 3 ниже q 1 = +1,00 мкКл и q 2 = -0,0800 мкКл. найти направление и величина электрического поля в точке П.

5.

Найти (а) электрическое поле, направление и величина, в P (4,00 м, 5,00 м) на Рис. к q 1 = +5,00 x 10 -6 C на (0, 2,00 м), q 2 = -3.00 x 10 -6 C при
(4,00 м, 0) и q 3 = +1,6 x 10 -6 C на (0, 5,00 м) и (б) сила на q 4 = +2,0 x 10 -6 C размещен на P.

6.

Два положительных точечных заряда отражают каждый разное.Объясните этот экспериментальный результат в терминах поля одного заряда, действующего на другой заряд.

7.

Небольшой положительный заряд помещен в электрическое поле фиксированного положительного точечного заряда. Это ускорение небольшой постоянной положительного заряда? Объясните ваш ответ.

8.

Двухточечные заряды, q 1 = +1,0 x 10 -6 C и q 2 = -4,0 x 10 -6 C, разделены расстоянием 0,10 м. Сначала обсудите два из три точки на рисунке ниже, где электрическое поле не может быть нулем, а затем найти точку на прямой, проходящей через два заряда, на которых электрическое поле из-за их ноль.

9.

(a) Если гауссова поверхность имеет поле 15 линии (электрический поток), покидающие его, когда он окружает точку заряд +10,0 мкКл и входящие в него 75 силовых линий при он окружает неизвестный точечный заряд, какова сумма обвинение в неизвестности? (б) Если чистое число электрического поля линии указывают на гауссову поверхность, означает ли это, что там в салоне нет отрицательных зарядов?

10.

Три бесконечных листа заряда параллельны друг к другу, как показано на рис. 5 ниже. Лист на слева имеет однородную поверхностную плотность заряда + s, тот, что посередине, однородная поверхностная плотность заряда - s а тот, что справа, - однородная поверхностная плотность заряда из + с. Найдите электрический поле в (а) P 1 , (б) P 2 ,
(в) P 3 , и (г) P 4 .

11.

Количество силовых линий электрического поля на единичная площадь, пересекающая поверхность под прямым углом к ​​поверхности равняется электрическому полю на поверхности. Покажите, что число линий поля, исходящих от точечного заряда + Q, составляет 4pkQ = Q / e o .Подсказка: Окружите заряд Q гипотетической сферической поверхностью. радиуса r и найти произведение электрического поля к Q и ​​площади поверхности сферы.

12.

Заряд Q равномерно распределяется по сфера радиуса R (рис.6 ниже). Найдите электрическое поле для (a) r ≤ R, (b) r ≥ R. (c) Набросок график E как функции от г.

13.

Проводящая сфера заряда + Q и радиус a концентричен с проводящей сферической оболочкой с чистым зарядом 0.Оболочка имеет внутренний радиус b и внешний радиус c. а) Где обвинения?

Найдите электрическое поле для (b) r ≤ a, (c) a ≤ r ≤ b, (d) b ≤ r ≤ c и (e) r ≥ c.

14.

Точечный заряд q i = 8,85 мкКл находится в центре двух концентрических проводящих оболочек, как показано на рис.7 ниже. Чистый заряд внутренней оболочки -17,70. µC, а чистый заряд на внешней оболочке +8,85 µC. Найдите (а) внутренний заряд q a и внешний заряд q b на внутренней оболочке и (b) внутренний заряд q c и внешний заряд q d на внешнем оболочка. (c) Нарисуйте график чистого потока через гауссовский сфера с центром на точечном заряде как функция расстояния r от точечного заряда.

* 15.

На рисунке 8 ниже представлены четыре сферы. разного радиуса R, но с одинаковым общим зарядом Q, распределенным равномерно по сферам. Точка P на рисунках - это одинаковое расстояние от центра каждой сферы.а) ранжируйте сферы согласно их объемной плотности заряда r, лучший первый. (б) Расположите сферы по величине электрического поля, которое они создают в точке P, сначала наибольшее.

* Взято от Холлидей, / Резник / Уокер, Основы физики, шестой Издание, Wiley

16.

Могут ли пересекаться две силовые линии электрического поля? Поясните свой ответ.

17.

Частица массой m = 1,6 x 10 -27 кг и заряда q = +3,2 x 10 -19 C, перемещение с постоянная горизонтальная скорость v = 4.0 x 10 6 м / с входит в постоянное электрическое поле E = 20 x 10 2 N / C между параллельными пластинами на рис. 9 ниже. Найдите (а) величина и направление электрической силы на частицу из-за E, (b) ускорение из-за электрического поля, (c) ускорение за счет силы тяжести, (d) как долго частица покидает пластины, если длина пластин 0.80 м и (д) как далеко он будет от середины между пластинами, когда он покидает пластины.

18.

Протон с зарядом + е и массой m помещен в электрическом поле E. Найти: а) ускорение протона и (б) скорость и смещение протона во времени t после входа в поле.Предположим начальную скорость протон равен нулю.

19.

Альфа-частица имеет заряд + 2e и масса, в четыре раза превышающая массу протона. Если альфа частица находится в том же электрическом поле, что и протон в задаче 18 сравните ускорение, скорость и перемещение альфа-частицы с протоном.Снова предположим что начальная скорость альфа-частицы равна нулю.

20.

Обсудите возможные различия между сила, действующая на заряженную частицу в постоянном электрическом поле когда его начальная скорость равна нулю и когда он имеет начальную скорость.

21.

Электрон движется по круговой траектории вокруг длинного равномерно заряженного провода, несущего +2,5 нКл / м. Какая скорость у электрона?

22.

Маленькая сфера массой m несет заряд. q. Он свисает с шелковой нити под углом Q с большим заряженным непроводящим листом (рис. 10 ниже). Найдите плотность поверхностного заряда s листа.

23.

Два одинаковых диполя помещены в прямая линия, как показано на рис. 11а ниже. Найдите направление электрической силы на каждом диполе на рис. 11а. Повторение для
Рис. 11b ниже.

24.

Электрический диполь, состоящий из зарядов +3,2 x 10 -19 C и -3,2 x 10 -19 C отдельно на 2,0 x 10 -9 м находится в поле 5,0 x 10 5 Н / К. Рассчитайте крутящий момент на диполе, когда диполь момент (а) параллелен и в том же направлении, что и поле (б) перпендикулярно полю и (в) параллельно и в противоположное направление поля.

25.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *