Где применяют
Электризация обладает своими плюсами и минусами, что свойственно всем явлениям. Среди положительных моментов можно выделить следующие:
- Благодаря этому явлению были созданы фильтры, которые очищают воздух в разных условиях с помощью статического электричества. Это особенно помогает на производствах, где всегда скапливается большее количество пыли.
- Описанный процесс используется для окраски машин и других устройств с металлической поверхностью. Для этого существуют электростатические распылители, которые отрицательно заряжают краситель, в то время как металлическая поверхность заземлена. Краска притягивается к металлу. В этом случае можно потратить меньше краски, при этом само окрашивание будет хорошего качества.
- Благодаря статике можно коптить продукты, при этом копчение происходит довольно быстро.
- Можно создавать искусственные ворсистые материалы. Ворс проходит сквозь сетку, взаимодействуя с электрическим полем, после чего ровно покрывает обработанную клеем поверхность.
Как мы уже упоминали, есть и свои минусы. Среди отрицательных моментов:
Если заряженные тела касаются друг друга, появляются искры. Это встречается среди бытовых ударов тока, например от машин, или от одежды. От этого особенно страдают самолёты, поскольку в полёте они электризуются. Впоследствии, если не снять заряд с поверхности самолёта, трап может загореться.
Электризация становится причиной электрических зарядов тел, которые могут подвергать поломке некоторые элементы в устройствах. Это случается как на этапе производства, так и при использовании устройств или при их обслуживании. По этой причине специалисты работают с заземляющим оборудованием или с элементами, обладающими заземлением. Сегодня придуманы самые разные приспособления, которые снижали бы статическое электричество в процессе ремонта и работы с устройствами. К таким способам относится применение полевых транзисторов, снижающих влияние электризации.
Это объяснения явления электризации тел простыми словами. Как видите, сегодня статическое явление неизменный спутник людей в быту и технологических процессах.
Хотя электризация тел обладает своими негативными моментами, она всё же является помощником во многих сторонах жизни и является неотъемлемой её частью.
Ученые сделавшие открытия в области электричества
Если бы мы спросили, кто открыл электричество, то получили бы разные ответы из разных стран. То же самое произойдет, если мы спросим, кто создал двигатель внутреннего сгорания, электрический двигатель, телеграф, телефон, радио, телевизор или компьютер.
Это неудивительно, поскольку в ряде случаев приоритет изобретений, возникших почти одновременно в разных местах, был предметом долгих и сложных научных изысканий, а окончательные применения часто вызывали критику среди специалистов.
Вряд ли янтарь, натёртый комком шерсти и описанный древнегреческим математиком и философом Фалес Милетским в VII веке до н. э признается периодом открытия электричества. Только с 17 века происходит ряд открытий в области магнетизма и электричества.
Открытие электричества эволюционировало в течение длительного периода, что позволило выявить различные этапы.
Ученые занимавшиеся изучением электричества обеспечили то применение, нынешнюю структуру и эксплуатационные характеристики обусловленные электрическими зарядами сейчас.
Соленоид
Соленоид отличается от обычной катушки по двум признакам:
- Длина обмотки превышает диаметр в несколько раз;
- Толщина обмотки меньше диаметра катушки также в несколько раз.
Соленоидальный тип катушки
Параметры соленоида можно узнать из такого выражения:
L=µ0N2S/l,
где:
- µ0 – магнитная постоянная;
- N – количество витков;
- S – площадь поперечного сечения обмотки;
- l – длина обмотки.
Важно! Приведенное выражение справедливо для соленоида без сердечника. В противном случае необходимо дополнительно внести множитель µ, который равен магнитной проницаемости сердечника
Чем большую магнитную проницаемость будет иметь сердечник, тем больше увеличится итоговое значение.
Напряжение во всем проводящем объекте постоянно [ править ]
Электростатический потенциал или напряжение между двумя точками определяются как энергия (работа) , необходимой для перемещения небольшого заряда через электрическое поле между двумя точками, деленной на размере заряда. Если есть электрическое поле , направленное от точки к точке , то она будет оказывать усилие на заряде , двигающемся от до . Надо будет произвести работу над зарядом с помощью силы, чтобы заставить его двигаться против противоположной силы электрического поля. Таким образом, электростатическая потенциальная энергия заряда увеличится. Таким образом, потенциал в точке выше, чем в точке . Электрическое поле в любой точке — это градиентб{\ displaystyle \ mathbf {b}}а{\ Displaystyle \ mathbf {а}}а{\ Displaystyle \ mathbf {а}}б{\ displaystyle \ mathbf {b}}б{\ displaystyle \ mathbf {b}}б{\ displaystyle \ mathbf {b}}а{\ Displaystyle \ mathbf {а}}E(Икс){\ Displaystyle \ mathbf {E} (\ mathbf {x})}Икс{\ displaystyle \ mathbf {x}}(скорость изменения) электростатического потенциала : V(Икс){\ Displaystyle V (\ mathbf {x})}
- ∇Vзнак равноE{\displaystyle \nabla V=\mathbf {E} \,}
Поскольку внутри проводящего объекта не может быть электрического поля, оказывающего силу на заряды , внутри проводящего объекта градиент потенциала равен нулю (E=){\displaystyle (\mathbf {E} =0)\,}
- ∇V={\displaystyle \nabla V=\mathbf {0} \,}
Другими словами, в электростатике электростатическая индукция обеспечивает постоянство потенциала (напряжения) во всем проводящем объекте.
Распределение потенциала в проводнике
Покажем, что разность потенциалов любых двух точек проводника, включая точки поверхности, равна нулю. Пусть есть произвольные точки М
иК внутри проводника. Перенесем мысленно из точкиМ в точкуК пробный зарядq по некоторой траекторииМВК , лежащей внутри проводника (рис. 2). Силы поля не совершат работы над перемещаемым зарядомq , так как поля внутри проводника нет. Поэтому разность потенциаловφ M-φ K = 0. Если точкиМ иК , одна или обе, лежат на поверхности проводника, то доказательство того, что разность потенциалов между ними равна нулю, аналогично.
Рис. 2
Так как разность потенциалов любых двух точек проводника равна нулю, то потенциал всех точек проводника, включая точки поверхности, один и тот же. Поэтому говорят о потенциале проводника, не указывая конкретной его точки. Поскольку все точки поверхности проводника имеют одинаковый потенциал, поверхность проводника будет эквипотенциальной поверхностью.
Характеристики
Исследовав электрический ток и его ключевые характеристики, возможно понять принцип его функционирования. Главными величинами электрической энергии являются напряжение, сила и сопротивление.
Сила и плотность тока
Чтобы описать характеристики электричества, зачастую применяют термин «сила тока». Он определяет интенсивность перемещения зарядов, которые проходят сквозь поперечное сечение проводника.
Плотность тока является векторной величиной. Вектор направляется в сторону движения положительно заряженных зарядов. Его модуль равняется соотношению силы электротока на определенном перпендикулярном по направлению перемещения зарядов сечении проводника к его площади. Измерение происходит в амперах на метр.
Плотность тока
Мощность
Электрические силы осуществляют работу против активного и реактивного сопротивления. На пассивных работах будет преобразовываться в теплоэнергию. Производительностью называется работа, которая выполнена за 1 врем. ед. Относительно электричества применяется понятие «мощность теплопотерь». Мощность теплопотерь проводника равняется силе тока, которая умножена на напряжение. Измеряется мощность в ваттах.
Мощность
Частота
Ток характеризует частота. Такой параметр покажет, как за врем. ед. меняется число колебаний. Частота измеряется в герцах. Обычная промышленная частота составит 50 Гц.
Частота
Ток смещения
Такой термин был введен для комфорта, хотя в привычном понимании его не назовешь током, поскольку нет переноса заряда. Интенсивность электромагнитного поля находится в зависимости от токопроводимости и смещения.
Токи смещения возможно увидеть в конденсаторе. Невзирая на то, что во время зарядки и разрядки меж обкладок конденсатора не перемещается заряд, ток смещения будет протекать сквозь конденсатор и замыкать электроцепь.
Ток смещения
Объемные заряды в диэлектриках.
Если вектор поляризованности различен в разных точках
пространства, то есть поляризация неоднородная, то в диэлектрике могут появиться
и объемные заряды. Рассмотрим внутри неоднородно поляризованного диэлектрика
б/м объем dV (рис.11.6). Поляризованность в точке М(x,y,z) равна
. Тогда положительный заряд
на грани 1234 (выходящий из объема dV) равен (q=sS)
а заряд на грани 5678 (входящий в объем dV)
Разность этих зарядов
.
По смыслу — это заряд, который должен образоваться внутри объема, чтобы нейтрализовать
действие внешнего поля.
Ясно, что аналогичная ситуация должна быть и на других гранях, то есть образующийся
внутри объема dV заряд должен равняться
(11.10)
С другой стороны, этот же заряд равен , где
— объемная плотность связанных зарядов. Очевидно,
что в скобках формулы (11.10) стоит оператор дивергенции. Тогда
(11.13)
§ 22-1. Проводники в электростатическом поле
Мы уже обсуждали сходство и различие гравитационного и электростатического взаимодействий. Следует отметить ещё одно их существенное различие. От сил тяготения нельзя защититься. Нет такого убежища, в котором бы силы тяготения не действовали. А вот получить надёжную защиту от электростатических сил вполне возможно. Такую защиту может обеспечить любой проводник. Так какие же свойства проводников позволяют использовать их для электростатической защиты?
Проводники в электростатическом поле. В металлах свободными заряженными частицами являются электроны. Это происходит потому, что электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов, утрачивают связи со своими атомами и могут относительно свободно передвигаться по всему объёму металла.
Рис. 118.2
Выясним, что происходит в однородном металлическом проводнике, если его внести в электростатическое поле. Для этого поместим металлический проводник А в электростатическое поле, созданное двумя заряженными пластинами В и С (рис. 118.2). Напряжённость этого поля направлена от положительно заряженной пластины В к отрицательно заряженной пластине С. Под действием электрических сил свободные электроны наряду с непрекращающимся тепловым движением начнут двигаться упорядоченно. Они будут накапливаться слева у поверхности проводника А, создавая там избыточный отрицательный заряд. Недостаток электронов на правой стороне проводника приведёт к возникновению на ней избыточного положительного заряда.
Перераспределившиеся заряды создают собственное электрическое поле . Линии напряжённости этого поля в проводнике направлены в сторону, противоположную линиям напряжённости внешнего поля . Упорядоченное перемещение свободных электронов в проводнике прекратится, если собственное поле скомпенсирует внешнее . В этом случае напряжённость результирующего поля внутри проводника станет равной нулю, т. е. электростатическое поле в проводнике исчезнет.
Следовательно, электростатическое поле внутри проводника отсутствует. Таким образом, проводник — одна из моделей, используемых в электростатике, описывающая однородное тело, внутри которого напряжённость электростатического поля равна нулю.
Суммарный заряд любой внутренней области проводника равен нулю и не влияет на распределение зарядов на его поверхности и на напряжённость поля внутри проводника. На этом свойстве проводников основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают внутрь заземлённых полых проводников со сплошными или сетчатыми стенками. Чаще, однако, экранируют не приборы, а сам источник электрического поля, от нежелательного воздействия которого необходимо защитить расположенные поблизости устройства.
От теории к практике
Рис. 118.3
На рисунке 118.3 представлено поперечное сечение полой проводящей призмы. Призма заряжена отрицательно. В какой области (областях) — А, В или С — напряжённость электростатического поля не равна нулю?
Следствием того, что напряжённость электростатического поля внутри однородного проводника равна нулю, является то, что потенциал всех точек проводника одинаков. В самом деле, если напряжённость поля равна нулю, то разность потенциалов между любыми двумя точками проводника равна нулю. Поэтому можно оперировать потенциалом проводника, не указывая конкретную точку, в которой он определён.
Электростатическое поле внутри проводящего объекта равно нулю [ править ]
Поверхностные заряды, индуцированные в металлических предметах находящимся поблизости зарядом Электростатическое поле (линии со стрелками) соседнего положительного заряда (+) приводит к тому , мобильные заряды в металлических предметов , чтобы отделить. Отрицательные заряды (синие) притягиваются и перемещаются к поверхности объекта, обращенной к внешнему заряду. Положительные заряды (красный) отталкиваются и перемещаются к поверхности, обращенной в сторону. Эти индуцированные поверхностные заряды создают противоположное электрическое поле, которое точно нейтрализует поле внешнего заряда по всей внутренней части металла. Таким образом, электростатическая индукция обеспечивает нулевое электрическое поле внутри проводящего объекта.
Остается вопрос, насколько велики индуцированные заряды. Движение зарядов вызывается силой, действующей на них электрическим полем внешнего заряженного объекта по закону Кулона . Поскольку заряды в металлическом объекте продолжают разделяться, полученные положительная и отрицательная области создают собственное электрическое поле, которое противодействует полю внешнего заряда. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очень быстро (в течение доли секунды) не будет достигнуто равновесие, при котором индуцированные заряды имеют ровно правильный размер, чтобы нейтрализовать внешнее электрическое поле внутри металлического объекта. Тогда оставшиеся подвижные заряды (электроны) внутри металла больше не ощущают силы, и общее движение зарядов прекращается.
Закон Фарадея
Явление электромагнитной индукции определяется возникновением электрического тока в замкнутом электропроводящем контуре при изменении магнитного потока через площадь этого контура.
Основной закон Фарадея заключается в том, что электродвижущая сила (ЭДС) прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Формула закона электромагнитной индукции Фарадея выглядит следующим образом:
Рис. 2. Формула закона электромагнитной индукции
![§ 5. проводники и диэлектрики в электрическом поле [1970 кузнецов м.и. - основы электротехники]](https://profgbo.ru/wp-content/uploads/6/4/8/648852a2b421992cf7ad1df3f44985b3.jpeg)
И если сама формула, исходя из вышесказанных объяснений не порождает вопросов, то знак «-» может вызвать сомнения. Оказывается существует правило Ленца – русского ученого, который проводил свои исследования, основываясь на постулатах Фарадея. По Ленцу знак «-» указывает на направление возникающей ЭДС, т.е. индукционный ток направлен так, что магнитный поток, который он создает, через площадь, ограниченную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, которое вызывает данный ток.
Основные понятия и законы электростатики
Закон Кулона:сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:
Коэффициент пропорциональности в этом законе
В СИ коэффициент k записывается в виде
Потенциалом электрического поля называют отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:
Проекция напряжённости электрического поля на какую-нибудь ось и потенциал связаны соотношением
Электроёмкостью тела называют величину отношения
Основные понятия и законы постоянного тока
Электрический ток — направленное движение электрических зарядов. В разных веществах носителями заряда выступают элементарные частицы разного знака. За положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов. Количественно электрический ток характеризуют его силой. Это заряд, прошедший за единицу времени через поперечное сечение проводника:
Закон Ома для участка цепи имеет вид:
При параллельном соединении величина, обратная сопротивлению, равна сумме обратных сопротивлений:
где t — время, I — сила тока, U — разность потенциалов, q — прошедший заряд.Закон Джоуля-Ленца:
Основные понятия и законы магнитостатики
Характеристикой магнитного поля является магнитная индукция ➛B. Поскольку это вектор, то следует определить и направление этого вектора, и его модуль. Направление вектора магнитной индукции связано с ориентирующим действием магнитного поля на магнитную стрелку. За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Направление вектора магнитной индукции прямолинейного проводника с токам можно определить с помощью правила буравчика:если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Модулем вектора магнитной индукции назовём отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током , к произведению силы тока на длину этого участка:
Основные понятия и законы электромагнитной индукции
Если замкнутый проводящий контур пронизывается меняющимся магнитным потоком, то в этом контуре возникает ЭДС и электрический ток. Эту ЭДС называют ЭДС электромагнитной индукции, а ток — индукционным. Явление их возникновения называют электромагнитной индукцией. ЭДС индукции можно подсчитать по основному закону электромагнитной индукции или по закону Фарадея:
Электромагнитные колебания и волны
Колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых конденсатора с ёмкостью C и катушки с индуктивностью L (см. рис. 7).
Для свободных незатухающих колебаний в контуре циклическая частота определяется формулой
Период свободных колебаний в контуре определяется формулой Томсона:
Ток, текущий через катушку индуктивности, по фазе отстаёт от напряжения на π/2 или на четверть периода. Напряжение опережает ток на такой же фазовый угол.
Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования переменных токов. Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на который надеты две катушки. Катушка, которая подключается к источнику переменного напряжения, называется первичной обмоткой, а катушка, которая подключается к потребителю, называется вторичной обмоткой. Отношение напряжения на первичной обмотке и вторичной обмотке трансформатора равно отношению числа витков в этих обмотках:
Распределение заряда в проводнике
Для того чтобы ответить на вопрос о распределении заряда в проводнике, нам надо уточнить некоторые свойства силовых линий электростатического поля. Напомним, что силовая линия электрического поля (в том числе и электростатического) — это воображаемая линия в пространстве, проведенная так, чтобы касательная к ней в каждой точке совпадала с вектором напряженности электрического поля в этой точке. Опыт изучения электростатических полей дает основание заключить, что силовые линии этих полей непрерывны и не замкнуты, они могут начинаться только на положительных зарядах и оканчиваться только на отрицательных и не могут начинаться (заканчиваться) в точке пространства, где нет зарядов. При графическом изображении поля некоторой системы зарядов число силовых линий, начинающихся или заканчивающихся на каком-либо заряде, пропорционально модулю этого заряда. Отсюда следует, что из любого заряда обязательно выходят (или входят в него) силовые линии.
После сказанного о силовых линиях возвратимся к вопросу о распределении заряда в проводнике. Выделим мысленно произвольный достаточно малый объем ΔV
внутри проводника (рис. 1). Предположим, что этот объем имеет заряд (для определенности, положительный). Тогда из выделенного объема будут выходить силовые линии, т. е. вблизи него будет существовать электрическое поле. Но поля внутри проводника нет. Поэтому выделенный объем должен быть нейтрален. А поскольку этот объем взят нами в произвольном месте внутри проводника, то можно утверждать, что вся «внутренность» проводника нейтральна и, следовательно, весь заряд проводника находится на его поверхности.
Рис. 1
§ 19. Напряжённость электростатического поля. Принцип суперпозиции
Для изучения свойств электростатического поля удобно использовать такую его характеристику, которая не зависит от числового значения пробного заряда и позволяет определить силу, действующую на заряд со стороны поля в любой его точке. Для гравитационного поля такой характеристикой, не зависящей от массы тела, является ускорение свободного падения . Какая физическая величина является характеристикой электростатического поля?
Напряжённость электростатического поля. Пусть электростатическое поле создано в вакууме точечным зарядом Q > 0. Если в некоторую точку поля поместить пробный положительный заряд q, на него будет действовать кулоновская сила отталкивания, модуль которой .
Сила не может служить характеристикой поля, так как её модуль пропорционален значению пробного заряда q. Однако отношение модуля силы, которой электростатическое поле точечного заряда Q действует на пробный заряд q, не зависит от значения пробного заряда:
(19.1)
и, следовательно, может служить характеристикой поля.
Эту характеристику называют напряжённостью электростатического поля и обозначают . Напряжённость характеризует силовое действие поля на вносимые в него заряды.
Напряжённость электростатического поля — физическая векторная величина, равная отношению силы, которой поле действует на пробный заряд, к значению этого заряда:
(19.2)
С учётом выражений (19.1) и (19.2) можно определить модуль напряжённости электростатического поля, созданного точечным зарядом Q, в точке, находящейся на расстоянии r от него:
Таким образом, модуль напряжённости поля, создаваемого в вакууме точечным зарядом, прямо пропорционален модулю этого заряда и обратно пропорционален квадрату расстояния между зарядом и точкой, в которой определяют значение напряжённости.
Если заряд Q находится в однородной среде с диэлектрической проницаемостью ε, то модуль напряжённости поля .
Из выражения следует, что единицей напряжённости электростатического поля в СИ является ньютон на кулон . В СИ широко используют другое название этой единицы — вольт на метр .
Зная напряжённость электростатического поля, можно определить силу, действующую на любой точечный заряд в любой точке этого поля:
(19.3)
Рис. 104
Напряжённость поля, как и сила, величина векторная. Направление напряжённости поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный электрический заряд. Напряжённость в любой точке электростатического поля точечного заряда направлена вдоль прямой, соединяющей эту точку и точечный заряд, создающий поле. Напряжённость поля, созданного точечным положительным зарядом Q > 0, направлена от заряда, а напряжённость поля, созданного точечным отрицательным зарядом Q < 0, — к заряду (рис. 104).
От теории к практике
Рис. 105
1. Как изменится модуль напряжённости в некоторой точке поля, созданного точечным зарядом Q, если: а) расстояние r от заряда до этой точки увеличить вдвое; б) заряд Q увеличить вдвое, а расстояние r от заряда до этой точки уменьшить вдвое?
2. Как направлена в точке А напряжённость поля, созданного неподвижным точечным зарядом (рис. 105)? Чему равен модуль напряжённости поля в этой точке?
Рис. 105.1
Модуль напряжённости поля уединённой проводящей сферы радиусом R, заряд которой Q (рис. 105.1), в точках на её поверхности r = R и вне сферы на расстоянии r > R от её центра определяют по формуле . В точках, находящихся внутри проводящей сферы r < R, напряжённость равна нулю , если внутри этой сферы нет электрических зарядов.
Напряжённость электростатического поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечной плоскостью, одинакова во всех точках полупространства с каждой стороны от плоскости (при этом ), а её модуль
где S — площадь некоторого участка плоскости, — модуль заряда этого участка (рис. 105.2).
Рис. 105.2
Интересно знать
Кроме гравитационного поля у Земли есть электрическое и магнитное поля. Модуль напряжённости электрического поля у поверхности Земли в среднем составляет . Электрическое поле Земли меняется во времени. Избыточный отрицательный электрический заряд земного шара колеблется около –6 · 105 Кл.
