Лекция по электротехнике на тему «Электрическое поле. Электрические цепи постоянного тока»

ЛЕКЦИЯ № 1

СМ 1. Электрическое поле. Электрические цепи постоянного тока.

План

1. Потенциал. Электрическое напряжение.

2. Проводники в электрическом поле.

3. Электростатическая индукция.

1. Потенциал – скалярная характеристика электрического поля. Потенциал электрического поля в некоторой точке М численно равен работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки М в бесконечно удаленную точку, т.е. точку, где электрическое поле можно считать равным нулю.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению потенциальной энергии точечного положительного заряда, помещенную в данную точку поля, к величине этого заряда

.

Потенциал электрического поля есть величина, равная отношению работы сил поля по перемещению точечного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность к этому заряду.

.

Потенциал электрического поля в бесконечности условно принят равным нулю.

=В.

Величина 1В равна потенциалу такой точки поля, в которой заряд в 1Кл обладает потенциальной энергией 1Дж.

Разностью потенциалов между двумя точками 1 и 2 называется физическая величина, численно равная работе сил электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

,. (3.1)

Напряжением U на участке 1-2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических и сторонних сил при перемещении единичного заряда на данном участке цепи.

. (3.2)

Понятие напряжения является обобщением понятия разности потенциалов: напряжение на концах участка равно разности потенциалов в том случае, если на этом участке не действует ЭДС, т.е. сторонние силы отсутствуют.

Если на участке источник отсутствует, то напряжение равно разности потенциалов: .

2. Что происходит с телами, если их зарядить или поместить в электрическом поле? Проще всего ответить на этот вопрос в случае проводника.

   Свободные заряды. В проводниках, к которым в первую очередь относятся металлы, имеются заряженные частицы, способные перемещаться внутри проводника под влиянием электрического поля. По этой причине заряды этих частиц называют свободными зарядами.

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны. При образовании металла его нейтральные атомы начинают взаимодействовать друг с другом. Благодаря этому взаимодействию электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом. В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окруженными отрицательно заряженным «газом», образованным

коллективизированными электронами. Эти свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

   Электростатическое поле внутри проводника. Наличие в проводнике свободных зарядов приводит к тому, что даже при наличии внешнего электрического поля внутри проводника напряженность поля равна нулю. Если бы напряженность электрического поля была отлична от нуля, то поле приводило бы свободные заряды в упорядоченное движение, т. е. в проводнике существовал бы

электрический ток. Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещенного во внешнее электростатическое поле.
   На примере незаряженной проводящей пластины (проводника), внесенной в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряженность электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю (рис.14.15). Силовые линии поля изображены сплошными линиями.

   В первый момент (при внесении пластины в поле) возникает электрический ток.

Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево. Левая сторона пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно (см. рис. 14.15). В этом состоит явление электростатической индукции. (Если, не убирая пластину из поля, разделить ее пополам вдоль линии NN (см. рис. 14.15), то обе половины окажутся заряженными.) Появившиеся заряды создают свое поле (линии напряженности этого поля показаны на рисунке 14.15 штриховыми прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его. За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряженность результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается.

   Итак, электростатического поля внутри проводника нет. На этом факте основана электростатическая защита. Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.
   Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Докажем это. Предположим, что какая-то силовая линия не перпендикулярна поверхности проводника (рис.14.16). Это означает, что касательная составляющая вектора напряженности электрического поля не равна нулю. Следовательно, на свободные заряды действует сила, перемещающая их по поверхности проводника. Это перемещение будет происходить до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярными поверхности проводника.

   Электрический заряд проводников. Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряженность поля равна нулю, равен нулю и заряд. Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности. В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле. Но электростатического поля внутри проводника нет. Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности

. Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.
   При равновесии зарядов электрическое поле и электрический заряд внутри проводника равны нулю. Весь заряд сосредоточен на поверхности проводника, а линии напряженности электрического поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.

3. Известно, что в пространстве, окружающем электрические заряды, действуют силы электрического поля. Многочисленные опыты над заряженными телами полностью подтверждают это. Пространство, окружающее любое заряженное тело, является электрическим полем, в котором действуют электрические силы.

Направление сил поля называют силовыми линиями электрического поля. Поэтому условно считают, что электрическое поле есть совокупность силовых линий.

Силовые линии поля обладают определенными свойствами:

•  силовые линии выходят всегда из положительно заряженного тела, а входят в тело, заряженное отрицательно;

• они выходят во все стороны перпендикулярно поверхности заряженного тела и перпендикулярно входят в него;

•  силовые линии двух одноименно заряженных тел как бы отталкиваются одна от другой, а разноименно заряженных — притягиваются.

Силовые линии электрического поля всегда разомкнуты, так как они обрываются на поверхности заряженных, тел. Электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом: разноименно заряженные притягиваются, а одноименно заряженные отталкиваются.

Сила притяжения или отталкивания зависит от величины зарядов тел и от расстояния между ними.

Если в пространстве между телами будет не воздух, а какой-нибудь другой диэлектрик, т. е. непроводник электричества, то сила взаимодействия между телами уменьшится.

Величина, характеризующая свойства диэлектрика и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия между зарядами увеличится, если данный диэлектрик заменить воздухом, называется относительной диэлектрической проницаемостью данного диэлектрика.

Диэлектрическая проницаемость равна: для воздуха и газов  — 1; для эбонита — 2 — 4; для слюды 5 — 8; для масла 2 — 5; для бумаги 2 — 2,5; для парафина — 2 — 2,6.

Рис. 1 Электростатическое поле двух заряженных тел: а — тала заряжены одноименно, б — тела заряжены разноименно

Электростатическая индукция .Если проводящему телу А шарообразной формы, изолированному от окружающих предметов, сообщить отрицательный электрический заряд, т. е. создать в нем избыток электронов, то этот заряд равномерно распределится по поверхности тела. Так происходит потому, что электроны, отталкиваясь один от другого, стремятся выйти на поверхность тела.

Поместим незаряженное тело Б, также изолированное от окружающих предметов, в поле тела А. Тогда на поверхности тела Б появятся электрические заряды, причем на стороне, обращенной к телу А, образуется заряд, противоположный заряду тела А (положительный), а на другой стороне — заряд, одноименный с зарядом тела А (отрицательный). Электрические заряды, распределяясь таким образом, остаются на поверхности тела Б до тех пор, пока оно находится в поле тела А. Если тело Б вынести из поля или удалить тело А, то электрический заряд на поверхности тела Б нейтрализуется. Такой способ электризации на расстоянии называется электростатической индукцией или электризацией посредством влияния.

Рис. 2 Явление электростатической индукции

Очевидно, что такое наэлектризованное состояние тела является вынужденным и поддерживается исключительно действием сил электрического поля, созданного телом А.

Если проделать то же самое, когда тело А будет заряжено положительно, то свободные электроны с руки человека устремятся к телу Б, нейтрализуют его положительный заряд, и тело Б окажется заряженным отрицательно.

Чем выше будет степень электризации тела А, т. е. чем выше его потенциал, тем до большего потенциала можно наэлектризовать посредством электростатической индукции тело Б.

Вопросы для самоконтроля

       Литература.
1. Матуско В. Н. Общая електротехника- Л. Мир, 2006 с. 8-12
2. Родзевич В. Е. Общая электротехника — К.: Вища школа, 1993

Физические основы электротехники

13

Электромагнитное поле – это особый вид материи, проявляющей свои свойства с электрическими зарядами. Заряженные частицы – основная структурная часть атомов и молекул веществ. Заряженные частицы окружены электромагнитным полем. Основное свойство заряженных частиц – их заряд. Заряд – есть характеристика вещественного носителя. Электрические заряды взаимодействуют между собой посредством магнитного поля. Т.о., каждый заряд является источником электромагнитного поля и в то же время является объектом воздействия от других зарядов. Заряд и электромагнитное поле неразделимы. Электрический заряд – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны: электрическое поле и магнитное поле. Вообще-то поле едино, но при определённых условиях можно рассматривать одну из его сторон.

В общем случае электрическое и магнитное поля взаимосвязаны – единое электромагнитное поле. В стационарных полях каждое из них имеет относительную самостоятельность и может рассматриваться отдельно.

В качестве количественной оценки электромагнитного поля взято воздействие поля на заряд. Сила взаимодействия поля и заряда определяется силой Лоренца, учитывающей две стороны электромагнитного поля: электрическое и магнитное поля:

.

Здесь: q– заряд,- вектор напряжённости электрического поля,- вектор магнитной индукции,- скорость движения заряда относительно выбранной системы отсчёта.

1. Эл. полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, которая воздействует на неподвижный электрический заряд силой, пропорциональной величине заряда (и независящей от скорости движения):

.

Основной физической величиной, характеризующей силовое действие электрического поля в каждой точке и в каждый момент времени является вектор напряжённости электрического поля (силовая хар-ка эл. поля).

2.Магнитным полем называют одну из двух сторон электромагнитного поля, которая воздействует на движущийся электрический заряд силой, пропорциональной величине заряда и скорости его движения:

.

Основной физической величиной, характеризующей силовое действие магнитного поля в каждой точке и в каждый момент времени является вектор магнитной индукции .

Электрическое поле

Электрические заряды являются источниками электрического поля. Электрическое поле характеризуется напряжённостью электрического поля. Напряжённость электрического поля – векторная величина, определяющая силу, действующую на заряженное тело со стороны электрического поля зарядаq. Численно она равна отношению силы, действующей на заряженную частицу (пробное тело с зарядомq_пр), к её заряду:

, В/м,

где F_э– сила, определяемая законом Кулона;r– расстояние между центрами зарядов;Ф/м – электрическая постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума).

Направление напряжённости электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на частицу (пробное тело) с положительным знаком (тела с одинаковыми зарядами отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются).

Связь между напряжённостью электрического поля и зарядом выражает теорема Гаусса для электрического поля в вакууме:

.

Поток вектора напряжённости электрического поля сквозь произвольную замкнутую поверхность в вакууме пропорционален заряду, находящемуся внутри этой поверхности.

Электрическое поле в веществе.

Если внешнее электрическое поле создаётся в диэлектрике, то под действием сил этого поля в диэлектрике происходит смещение связанных зарядов в молекулах вещества («+» — в направлении линий поля, «» — в противоположную сторону). Смещение зарядов в веществе под действием сил электрического поля называется поляризацией вещества.

Степень поляризации диэлектрика при воздействии электрического поля оценивается вектором поляризованности . Поляризованность тем больше, чем сильнее электрическое поле, зависит и от свойств диэлектрика. Для однородного по всем направлениям (изотропного) диэлектрика вектор поляризованностипропорционален вектору напряжённости электрического поля в диэлектрике:

,

где — относительная диэлектрическая восприимчивость вещества (0, 0 – для вакуума).

Электрическое поле в диэлектрике представляет собой наложение двух полей – внешнего и внутреннего. Внутреннее поле возникает только при наличии внешнего поля за счёт поляризации диэлектрика и в большинстве случаев исчезает при отсутствии внешнего поля (имеются диэлектрики будучи поляризованными внешним полем, сохраняют остаточную поляризацию – сегнетоэлектрики и электреты).

Для характеристики электрического поля в веществе вводят понятие вектора электрического смещения :

. D=Кл/м².

С учётом относительной диэлектрической восприимчивости диэлектрика, получим:

.

Здесь — абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества;- относительная диэлектрическая проницаемость вещества.

Относительная диэлектрическая проницаемость вещества характеризует степень способности вещества поляризовываться (во сколько раз поле в диэлектрике слабее, чем в пустоте). Для всех веществ ; для вакуума(воздух; бумага кабельная; масло минеральное; картон; резина; слюда; стекло).

Тогда получаем обобщённую теорему Гаусса:

.

Поток вектора электрического смещения сквозь произвольную замкнутую поверхность равен свободному заряду, находящемуся внутри этой поверхности.

Для большинства веществ относительная диэлектрическая проницаемость постоянна, т. е. практически не зависит от напряжённости электрического поля (линейные диэлектрики). Эта линейность имеет ограничение сверху (предельная напряжённость электр. поля – пробой диэлектрика; величина напряжённости эл. поля, при которой наступает пробой называют электрической прочностью диэлектрика – для воздуха Е_пр=30кВ/см).

Из обобщённой теоремы Гаусса для однородной среды (_a= Сonst):

.

Или

,.

Если _r= 1, то получаем исходную теорему Гаусса.

Потенциал, напряжение электрического поля.

Энергетической характеристикой поля является потенциал. Электрическое поле неподвижных зарядов (электростатическое поле), поле постоянных токов (стационарное электрическое поле) являются потенциальными: потенциал не зависит от формы пути, по которому перемещается заряд из одной точки в другую. В электрической цепи переменного тока имеет место квазистационарное электрическое поле. Это позволяет охарактеризовать потенциальное электрическое поле в каждой его точке скалярной величиной, являющейся функцией координаты – потенциалом.

Потенциал любой точки электрического поля (точка » N») численно равен работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой равен нулю (поверхность земли или бесконечно удалённая точка):

.

Осуществляется нормирование потенциала на нуль в бесконечности.

Электрическое напряжение – есть работа сил поля по перемещению единичного положительного заряда (q= 1Кл) между точками поля:

.

Разность потенциалов (напряжение) есть физическая величина, равная линейному интегралу от вектора напряжённости потенциального поля взятому от одной точки к другой, и независящая от выбора пути интегрирования между этими точками.

Основной характеристикой электрического поля является вектор напряжённости. Для потенциального поля можно пользоваться скалярной характеристикой – потенциалом, как энергетической характеристикой.

В электрической цепи постоянного тока существует стационарное электрическое поле – в отличие от электростатического поля неподвижных зарядов. Оно поддерживается ЭДС источников энергии. Источник ЭДС непосредственно создаёт и поддерживает избыточные заряды, распределённые по проводнику. Заряды в свою очередь поддерживают стационарное электрич. поле. Эти избыточные заряды распределяются по поверхности проводов (не внутри !!!), а источник исключает самонейтрализацию.

Стационарное электрическое поле в отличие от электростатического создаётся и поддерживается источником ЭДС, и это поле существует не только в диэлектрике вокруг проводников, но и внутри проводников. Стационарное электрическое поле также как и электростатическое является потенциальным (в области вне источников ЭДС).

В электрической цепи переменного тока имеет место квазистационарное эл. поле, если скорость изменения электрического поля и длина линии невелики. Условием квазистационарности переменного тока (и создаваемого им поля) является требование, чтобы время распространения волны вдоль заданной длины провода было значительно меньше периода:

,

где — длина провода, с = 300 000 км/с — скорость света в вакууме; Т = 1/f- период изменения тока,- длина волны (приf= 50 Гц Т = 0,02 с,= 6 000 км).

Основы электротехники. Часть 1 электростатика

Ещё в Древней Греции было замечено, что натёртый мехом янтарь начинает притягивать мелкие частички – пыль и крошки. Долгое время (вплоть до середины 18 века) не могли дать серьёзного обоснования данного явления. Только в 1785 г. Кулон, наблюдая за взаимодействием заряженных частиц, вывел основной закон их взаимодействия. Примерно через полвека Фарадей исследован и систематизировал действие электрических токов и магнитных полей, а ещё через тридцать лет Максвелл обосновал теорию электромагнитного поля.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Электрический заряд

Впервые термин «электрический» и «электризация», как производные от латинского слова «electri» – янтарь, были введены в 1600 г. английским учёным У. Гильбертом для объяснения явлений, которые возникают при натирании янтаря мехом или стекла кожей. Таким образом, тела, которые обладают электрическими свойствами стали называть электрически заряженными, то есть им был передан электрический заряд.

Из выше сказанного следует, что электрический заряд – это количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Заряд обозначается q или Q и имеет разрядность Кулон (Кл)

В результате многочисленных опытов были выведены основные свойства электрических зарядов:

• существуют заряды двух типов, которые условно названы положительным и отрицательным;
• электрические заряды могут передаваться от одного тела к другому;
• одноимённые электрические заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются друг к другу.

Взаимодействие зарядов.

Кроме того был установлен закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой (изолированной) системе остаётся постоянной

В 1749 г. американский изобретатель Бенджамин Франклин выдвигает теорию электрических явлений, согласно которой электричество есть заряженная жидкость, недостаток которой он определил как отрицательное электричество, а избыток – положительное электричество. Так возник знаменитый парадокс электротехники: согласно теории Б.Франклина электричество течет от положительного к отрицательному полюсу.

Согласно современной теории строения веществ, все вещества состоят из молекул и атомов, которые в свою очередь состоят из ядра атома и вращающихся вокруг него электронов «e». Ядро является неоднородным и состоит в свою очередь из протонов «р» и нейтронов «n». Причем электроны являются отрицательно заряженными частицами, а протоны положительно заряженными. Так как расстояние между электронами и ядром атома значительно превышают размеры самих частиц, то электроны могут, отщепляются от атома, тем самым обуславливается перемещение электрических зарядов между телами.

Структура атома (литий).

Кроме вышеописанных свойств электрический заряд обладает свойством деления, но существует величина минимально возможного неделимого заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона (1,6*10^-19 Кл), называемого также элементарным зарядом. В настоящее время доказано существование частиц с электрическим зарядом меньше элементарного, которые называются кварки, но время их существования незначительно и в свободном состоянии они не обнаружены.

Закон Кулона. Принцип суперпозиции

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов изучает раздел физики названный электростатикой, в основе которой фактически лежит закон Кулона, который был выведен на основе многочисленных опытов. Данный закон, также как и единица электрического заряда были названы в честь французского физика Шарля Кулона.

Кулон проводя свои опыты установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими электрическим зарядами подчиняется следующим правилам:

• сила пропорциональна величине каждого заряда;
• сила обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними;
• направление действия силы направленно вдоль прямой соединяющей заряды;
• сила представляет собой притяжение, если тела заряжены противоположно, и отталкивание в случае одноимённых зарядов.

Таким образом, закон Кулона выражается следующей формулой

где q1, q2 – величина электрических зарядов,

r – расстояние между двумя зарядами,

k – коэффициент пропорциональности, равный k = 1/(4πε₀) = 9 * 10⁹ Кл²/(Н*м²), где ε₀ – электрическая постоянная, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Кл²/(Н*м²).

Замечу, что ранее электрическая постоянная ε0 называлась диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемостью вакуума.

Рисунок иллюстрирующий закон Кулона.

Закон Кулона проявляется, нет только при взаимодействии двух зарядов, но и что чаще встречается системы из нескольких зарядов. В этом случае закон Кулона дополняется ещё одним существенным фактором, который называется «принципом наложения» или принципом суперпозиции.

В основе принципа суперпозиции лежит два правила:

• воздействие на заряженную частицу нескольких сил есть векторная сумма воздействий этих сил;
• любое сложное движение состоит из нескольких простых движений.

Принцип суперпозиции, на мой взгляд, проще всего изобразить графически

Изображение, поясняющее принцип суперпозиции.

На рисунке показаны три заряда: -q₁, +q₂, +q₃. Для того чтобы вычислить силу F_общ, которая действует на заряд -q₁, необходимо вычислить по закону Кулона силы взаимодействия F1 и F2 между -q₁, +q₂ и -q₁, +q₃. Затем получившиеся силы сложить по правилу сложения векторов. В данном случае F_общ вычисляется как диагональ параллелограмма по следующему выражению

где α – угол между векторами F1 и F2.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Всякое взаимодействие между зарядами, называемое также кулоновским взаимодействием (по названию закона Кулона) происходит при помощи электростатического поля, которое является неизменяющимся по времени электрическим полем неподвижных зарядов. Электрическое поле является частью электромагнитного поля и создаётся оно электрическим зарядами или заряженными телами. Электрическое поле воздействует на заряды и заряженные тела независимо от того движутся ли они или находятся в состоянии покоя.

Одним из фундаментальных понятий электрического поля является его напряженность, которая определяется как отношение силы действующей на заряд в электрическом поле к величине этого заряда. Для раскрытия данного понятия необходимо ввести такое понятие как «пробный заряд».

«Пробным зарядом», называется такой заряд, который не участвует в создании электрического поля, а также имеет очень маленькую величину и поэтому своим присутствием не вызывает перераспределение зарядов в пространстве, тем самым не искажая электрическое поле создаваемое электрическим зарядами.

Заряд в электрическом поле.

Таким образом, если внести «пробный заряд» q₀ в точку, находящуюся на некотором расстоянии от заряда q, то на «пробный заряд» q_П будет действовать некоторая сила F, обусловленная присутствием заряда q. Отношение силы F₀ действующей на пробный заряд, в соответствии с законом Кулона, к величине «пробного заряда», называется напряженностью электрического поля. Напряженность электрического поля обозначается Е и имеет разрядность Н/Кл

Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов

Как известно, если на тело действует какая-либо сила, то такое тело совершает определённую работу. Следовательно, и заряд, помещённый в электрическое поле, также будет выполнять работу. В электрическом поле выполненная зарядом работа не зависит от траектории движения, а определяется лишь положением, которое занимает частица в начале и конце перемещения. В физике поля подобные электрическому полю (где работа не зависит от траектории движения тела) называются потенциальными.

Работа в потенциальном поле.

Выполненная телом работа определяется по следующему выражению

где F – сила, действующая не тело,

S – расстояние, пройденное телом по действие силы F,

α – угол между направлением движения тела и направлением действия силы F.

Тогда работа выполненная «пробным зарядом» в электрическом поле созданным зарядом q₀ определится из закона Кулона

где q_П – «пробный заряд»,

q₀ – заряд создающий электрическое поле,

r₁ и r₂ – соответственно расстояние между q_П и q₀ в начальном и конечном положении «пробного заряда».

Так как выполнение работы связано с изменением потенциальной энергии W_P, тогда

И потенциальная энергия «пробного заряда» в каждой отельной точке траектории движения будет определяться из следующего выражения

Как видно из выражения с изменением величины «пробного заряда» q_п значение потенциальной энергии W_P будет изменяться пропорционально q_п, поэтому для характеристики электрического поля была введена ещё один параметр названный потенциалом электрического поля φ, который является энергетической характеристикой и определяется следующим выражением

где k – коэффициент пропорциональности, равный k = 1/(4πε₀) = 9 * 10⁹ Кл²/(Н*м²), где ε₀ – электрическая постоянная, ε₀ = 8,85 * 10^-12 Кл²/(Н*м²).

Таким образом, потенциалом электростатического поля является энергетической характеристикой, которая характеризует потенциальную энергию, которой обладает заряд, помещённый в данную точку электростатического поля.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что работа совершённая при перемещении заряда из одной точки в другую может быть определена из следующего выражения

То есть работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда из одной точки в другую, равна произведению заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории.

При расчётах наиболее удобно знать разность потенциалов между точками электрического поля, а не конкретные значения потенциалов в данных точках, поэтому говоря о потенциале какой либо точки поля, подразумевают разность потенциалов между данной точкой поля и другой точкой поля, потенциал которой условились считать равным нулю.

Разность потенциалов определяется из следующего выражения и имеет размерность Вольт (В)

Разность потенциалов между двумя точками электростатического поля.

Продолжение читайте в следующей статье

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — это… Что такое ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ?

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической индукцией). Напряженность электрического поля у поверхности Земли > 130 В/м, наиболее сильными крупномасштабными электрическими полями обладают пульсары (~1012 В/м). Напряженность внутрикристаллического электрического поля ~1010 В/м. Искровой разряд в воздухе (например, молния) вызывается электрическим полем с напряженностью около 3 млн. В/м. Электрическое поле используется во всех электротехнических, радиотехнических и электрофизических устройствах (электроизмерительных приборах, радиоприемниках, ускорителях заряженных частиц и т.д.).

Современная энциклопедия. 2000.

• ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

Смотреть что такое «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ» в других словарях:

• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — (электростатическое поле), область вокруг электрического заряда, в которой на каждую заряженную частицу действует некоторая сила. Объект с противоположным зарядом испытывает силу притяжения. Объект, имеющий такой же заряд, как и окружающее его… …   Научно-технический энциклопедический словарь

• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления (наряду с магн. полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрич. заряд (со стороны поля) силы, не зависящей от скорости движения заряда. Представление об Э. п. было введено М. Фарадеем в 30 х гг. 19 в.… …   Физическая энциклопедия

• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — (14, а) …   Большая политехническая энциклопедия

• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля …   Большой Энциклопедический словарь

• Электрическое поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости… Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ …   Официальная терминология

• электрическое поле — Одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости. [ГОСТ Р 52002 2003] EN electric field constituent of an… …   Справочник технического переводчика

• Электрическое поле —     Классическая электродинамика …   Википедия

• электрическое поле — 06.01.07 электрическое поле [ electric field]: Составляющая электромагнитного поля, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля Е и электрической индукции D. Примечание Во французском языке термин «champ electrique»… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Электрическое поле — Демонстрация поля электростатического заряда. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• электрическое поле — частная форма проявления электромагнитного поля; создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряжённостью электрического поля. * * * ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, частная форма проявления… …   Энциклопедический словарь

Книги

• Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Электромагнитное поле, магнитное поле, электрическое поле проводника с током. Импульсное поле витка с током и катушки (теория аб, Гуревич Гарольд Станиславович, Каневский Самуил Наумович. В книге доказано, что электромагнитное поле проводника с током образовано электронами. Электромагнитное поле — есть пространство, заполненное направленно движущимися по винтовым траекториям… Подробнее  Купить за 916 грн (только Украина)
• Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле, Л. А. Бессонов. Рассмотрены традиционные и появившиеся за последние годы новые вопросы теории и методы расчета физических процессов в электрических, магнитных и электромагнитных полях, предусмотренные… Подробнее  Купить за 750 руб
• Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Теория абсолютности, Гуревич Гарольд Станиславович, Каневский Самуил Наумович. Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Электромагнитное поле, магнитное поле, электрическое поле проводника с током. Импульсивноеполе витка с током и катушки… Подробнее  Купить за 715 руб

Другие книги по запросу «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ» >>

Алгоритмы анализа электрических полей кабелей постоянного тока в составе САУ ГТД Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

2018 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 25 УДК 681.5.09

Т.А. Кузнецова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Пермь, Россия

АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ КАБЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА В СОСТАВЕ САУ ГТД

Проводится исследование методов оценки безопасности и технического состояния электрических кабелей в составе систем автоматического управления авиационными газотурбинными двигателями. Надежность систем автоматического управления газотурбинными авиационными двигателями (САУ ГТД) во многом определяется отказоустойчивостью систем ввода входной информации и коммуникаций, обеспечивающих связь регулятора и объекта управления. Система электрических кабелей связывает первичные преобразователи информации (датчики) и исполнительные механизмы, находящиеся на объекте управления (двигателе), с цифровым электронным регулятором. В работе решается актуальная задача повышения точности методов диагностики электрических кабелей постоянного тока. Одной из проблем при диагностике кабелей постоянного тока является анализ распределения напряженности и потенциала электрического поля во внешней среде. Целью исследования является разработка корректного метода анализа электрического поля кабеля постоянного тока. В рамках решаемой задачи разработан алгоритм анализа напряженности и потенциала электрического поля кабеля постоянного тока, расположенного вблизи границ раздела двух сред с различной удельной электрической проводимостью. В основу алгоритма положен метод Сирла. Расчет ведется с помощью метода суперпозиции, применимого для задач данного класса. Исследуется проблема влияния выбранных граничных условий на точность вычислений. В качестве критерия выбрана координата максимального значения потенциала на границе раздела двух сред. При введении опорной проводящей поверхности (земли) наблюдаются искажение картины поля и смещение максимума. Предлагаются оптимальные соотношения расстояний от электрического кабеля до вводимой опорной поверхности и до границы раздела, обеспечивающие заданную точность расчетов.

Ключевые слова: система автоматического управления газотурбинного двигателя, электрический кабель, диагностика, электрическое поле постоянного тока, электрический потенциал.

T.A. Kuznetsova

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

ANALYSIS OF THE DC-CABLES’ ELECTRIC FIELDS IN AUTOMATIC CONTROL SYSTEMS OF AIRCRAFT TURBINE ENGINES

The study is devoted to methods of the safety assessing and technical analysis of electric cables as part of automatic control systems of aircraft gas turbine engines. The reliability of automatic control systems of gas turbine aircraft engines (ACS GTE) is substantially determined by the fault toler-

23

ance of input information systems and communications providing the communication between the controller and the control object. The system of electric cables connects the primary information converters (sensors) and actuators located on the control object (engine) with a digital electronic regulator. The actual task of increasing the accuracy of diagnostics methods of direct current (DC) electric cables is being solved. One of the problems DC cables’ diagnostics is the analysis of the distribution of the electric field strength and potential in the external environment. The purpose of the study is design of a correct method for analyzing the electric field of a DC. For solving this task an algorithm for analysis of the electric field’s strength and potential of DC cable located near the interfaces of two media with different specific electric conductivity has been developed. The algorithm is based on the Searle method. The calculation is carried out by superposition method, which is applicable for this class of tasks. The problem of the chosen boundary conditions’ influence on the calculations’ accuracy is investigated. As estimation criterion, the coordinate of the maximum potential at the interface between the two media is chosen. When a reference conductive surface (ground) is introduced, there is a distortion in the field pattern and a shift of the maximum. The optimal ratios of the distances from the electric cable to the input reference surface and to the interface of two media with different specific electric conductivity are proposed, which ensure a given accuracy of calculations.

Keywords: automatic control system of gas-turbine engine, electric cable, diagnostics, electric field of direct current, electric potential.

Введение. При разработке высоконадежных систем автоматического управления газотурбинными авиационными двигателями (САУ ГТД) серьезное внимание уделяется отказоустойчивости систем ввода входной информации [1, 2], а также коммуникаций, обеспечивающих связь регулятора и объекта управления, что обусловливает необходимость эффективной оценки безопасности и технического состояния электрических кабелей.

Система электрических кабелей связывает первичные преобразователи информации (датчики) и исполнительные механизмы, находящиеся на двигателе с цифровым электронным регулятором [3, 4, 5]. В частности, электрические коммуникации необходимы для обеспечения связи двигателя и пускового устройства, предназначенного для раскрутки ротора ГТД до частоты вращения, при которой обеспечивается надежное воспламенение топлива в камере сгорания, в результате чего турбина начинает развивать достаточную для дальнейшей самостоятельной раскрутки положительную мощность на валу ротора. Пусковое устройство управляется цифровым САУ ГТД, поэтому на современных ГТД используются электрические пусковые устройства. Причем вследствие широкого использования в качестве бортового источника питания аккумуляторных батарей большее распространение получили стартеры постоянного тока, подсоединение которых к САУ ведется специальными кабелями, монтаж и эксплуатация которых осуществляются в соответствии со специальными требованиями [6, 7, 8, 9]. Соответственно, надежность бортовых информационно-измерительных систем также зависит от состояния соединительных кабелей [10, 11, 12].

24

В связи с этим актуальной задачей является разработка более точных и научно-обоснованных методов диагностики электрических полей кабелей постоянного тока, входящих в состав бортовых регуляторов узлов авиационных двигателей. Одной из проблем при диагностике кабелей постоянного тока является анализ распределения напряженности и потенциала электрического поля во внешней среде. Эта проблема связана как с эффективностью функционирования САУ, так и с безопасностью полета.

1. Материал и методы исследования. Целью исследования является разработка корректного алгоритма анализа электрического поля кабеля постоянного тока, расположенного вблизи границ раздела двух сред с различной удельной электрической проводимостью.

Известно [13, 14], что электрическое поле постоянного тока является потенциальным, и его напряженность Е связана с потенциалом ф с помощью формулы (1):

Е = -gradф или гоШ = 0. (1)

В соответствии с методом Сирла [15, 16] задача расчета поля цилиндрического проводника с постоянным током I, расположенного вблизи границы раздела двух неидеальных диэлектрических сред с различной проводимостью у1 и у2 (схема приведена на рис. 1, а), сводится к решению двух подзадач (расчетные подсхемы для анализа поля в верхней и нижней полуплоскости приведены соответственно на рис. 1, б, в). При этом:

12 I, (2)

У1 +У 2

I I

±3 1.

У1 +У 2

Введением фиктивных токов !2,з производится учет перераспределения связанных зарядов на границе раздела двух сред, влияющего на электрическое поле в обеих средах.з, осуществляется на основе граничных условий, связывающих величины векторов

напряженности Е и плотности тока 5, что определяет единственность решения:

Е» = Е2г, 51п = 5п. (3)

25

О

h

Yi

Y2

Yi

О

Y2

+

а б в

Рис. 1. Схема для расчета поля цилиндрического проводника с постоянным током /, расположенного вблизи границы раздела двух сред с различной проводимостью

Известно, что ток может быть определен как поток вектора 5:

I = |5 = у{ Е

(4)

Отсюда для цилиндрического проводника длиной I с постоянным током / однозначно может быть определена величина напряженности в любой точке создаваемого им электрического поля:

I

E =

2щ lr’

(5)

где r — расстояние от проводника до исследуемои точки поля.г

Ф =-г ln — + C.

— — (6) 2лу/ г

В общем случае величина С зависит от заданных граничных условий.

Одним из традиционно применяемых на практике способов получения единственного решения является введение опорной граничной поверхности («земли»), имеющей нулевой потенциал [17, 18]. В этом случае решение ведется методом зеркальных изображений, и схема решения принимает вид, показанный на рис. 2 [19, 20].

X

—>

I

2

26

Введение зеркально отраженных дополнительных (фиктивных) проводов учитывает изменение картины электрического поля в диэлектрике, вызванное перераспределением зарядов в проводнике. Расчетные подсхемы для анализа поля в верхней и нижней полуплоскости приведены соответственно на рис. 2, б, в.

В рассматриваемом случае можно точно определить потенциал и напряженность в любой точке электрического поля в обеих диэлектрических средах. При этом на границе раздела диэлектриков функция потенциала непрерывна, что позволяет использовать для расчета потенциала на границе любую из двух вспомогательных подсхем (см. рис. 2, б, в).

ь

11

Т2

1 I

1 -I

11

11

11

° т ° т -13

12 Т2

0 х

Т2 Т2

а

0

х

х

—>

° -I

0 I

2

2

а б в

Рис. 2. Схема для расчета электрического поля цилиндрического проводника с постоянным током /, расположенного вблизи границы раздела двух сред с различной

проводимостью при введении заземленной опорной проводящей поверхности

Однако, как показали исследования, введение опорной граничной поверхности вносит искажение в картину электрического поля (рис. 3).

В частности, функция распределения потенциала ф(х) вдоль оси абсцисс, совпадающей с границей раздела двух диэлектриков, изменяется от 0 (при х = 0) до 0 (при х = да) и имеет явно выраженный максимум, который в исходной задаче приходится на координату, соответствующую местоположению данного проводника с током (кривая 1 на рис. 3). В то время как для предложенной расчетной схемы, включающей опорную проводящую поверхность, координата максимума потенциала смещается относительно своего истинного местоположения (кривая 2 на рис. 3) и зависит от расстояния Ь до нее, как правило, выбираемого произвольно.

27

Таким образом, корректность алгоритма анализа электрического поля рассматриваемого кабеля определяется учетом влияния данного расстояния на точность решения.

1,2

ф(х)/фт ax, еД

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0 0,0

«Г

0,5

1,0

I-

1,5

2,0

«I-

2,5

Рис. 3. Смещение максимума потенциала при введении заземленной опорной проводящей поверхности

2. Результаты исследования. Для предложенной расчетной схемы с введенной заземленной опорной проводящей поверхностью потенциал произвольной точки, имеющей координату х на границе раздела двух сред, может быть определен с помощью вспомогательной подсхемы, представленной на рис. 2, в:

,2 , /А , Л.\2 т 1„2

ф( Х) =

Д у а2 + (Ь + х)2 + с =

I

ьУа2+(Ь+х)2 + с,

2Щ21 д/а2 + (Ь — х)2 л/(ух +У2) д/а2 + (Ь — х)

(7)

где С = 0.

Поскольку в решаемой задаче заданы граничные условия -ф(х = 0) = 0, величина постоянной интегрирования может быть однозначно определена как С = 0.

Координата экстремума фтах(х) определеяется с помощью уравнения:

с1ф _ I dx я/(у1 + у 2)

I

•1п

dx

(

1п

л]а2 + (Ь + х)2 у/а2 + (Ь — х)2

(8)

2Ь(а2 + Ь2 — х2)

п/(у1 + у2) (а2 + (Ь + х)2)(а + (Ь — х)2)

= 0.

2

28

В общем случае уравнение (8) имеет два решения:

х1 2 = ±л/а2 + Ь2.

(9)

Однако в рассматриваемой задаче х может принимать только положительные значения, следовательно, решение единственное х = хь При этом для исходной схемы (см. рис. 1), в которой отсутствует искусственно введенная для расчета постоянной интегрирования С опорная поверхность, максимум потенциала наблюдается непосредственно в координате, соответствующей расположению кабеля, т.е. при х = Ь в рассматриваемой системе координат. Это следует из исследования на экстремум функции изменения потенциала вдоль оси абсцисс, совпадающей с границей раздела двух диэлектриков, полученной для подсхемы, представленной на рис. 1, в:

Уравнение (11) имеет одно решение: х = Ь.

Следует отметить, что из исследования на экстремум функции изменения потенциала вдоль оси асцисс, полученной для подсхемы, представленной на рис. 1, б, получается идентичный результат в связи с непрерывностью функции потенциала на границе раздела двух сред с различной удельной проводимостью.

Представленный на рис. 4 график иллюстрирует смещение координаты максимума ф( х) от реального значения при введении опорной граничной поверхности.

Для общности выводов при построении графика использованы приведенные к величине а (данного расстояния от провода до границы раздела двух диэлектриков) величины: / а (смещение максимума

потенциала) и Ь / а (выбранное расстояние до опорной граничной поверхности).

Максимум ф( х) определеяется с помощью уравнения:

%!(У1 +у2) (а2 + (Ь — х)2)

(11)

29

При этом выполняется соотношение:

^ = , 1 + a

b

v ay

(12)

Приведенное смещение max xja, ед Вхождение в 10%-ную зону

0,6 0,4 0,2 0

Вхождение в 5%-ную зону

Приведенное расстояние до опорной поверхности b/a, ед

Рис. 4. Смещение координаты максимума ф(х) от реального значения при введении опорной граничной поверхности

1,2

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

1

2,5

Рис. 5. Влияние соотношения между расстоянием от кабеля до границы раздела двух сред с различной удельной проводимостью и выбранным расстоянием до заземленной проводящей опорной поверхности

Как показывают исследования, вхождение в зону 10%-ного отклонения от реального положения максимума наступает при Ь / а = 2,2; в 5%-ную зону — при Ь / а = 3,2; в 1%-ную зону — при Ь / а = 8. Эти соотношения следует учитывать при выборе расстояния Ъ до вводимой фиктивной опорной проводящей поверхности, имеющей нулевой потенциал.

1,2

0,8

30

Иллюстрация влияния полученных соотношений на точность расчета потенциала электрического поля приводится на рис. 5, где кривая 1 соответствует реальному распределению потенциала; кривая 2 соответствует распределению потенциала при введении опорной проводящей поверхности при b / a = 1; кривая 3 соответствует распределению потенциала при введении опорной проводящей поверхности при b / a = 2,2.

Таким образом, применение предложенного соотношения между расстоянием от кабеля до границы раздела двух сред с различной удельной проводимостью и выбранным расстоянием до заземленной проводящей опорной поверхности повышает точность решения на 30 %.

Выводы. Разработаны методы диагностики электрических полей кабелей постоянного тока, входящих в состав бортовых цифровых регуляторов авиационных двигателей, позволяющие решать проблему расчета распределения напряженности и потенциала электрического поля во внешней для кабеля среде.

Как показали результаты исследования, применение предложенного алгоритма анализа электрического поля кабеля постоянного тока, расположенного вблизи границ раздела двух сред с различной удельной электрической проводимостью, эффективно позволяет повышать точность методов диагностики электрических кабелей, входящих в состав систем автоматического управления авиационными двигателями.

Решение поставленной проблемы позволит повысить эффективность функционирования САУ и, соответственно, увеличить безопасность полета.

Библиографический список

1. Malloy D.J., Webb A.T., Kidman D.S. F-22/f119 Propulsion system ground and flight test analysis using modeling and simulation techniques // GT-2002-30001, ASME TURBO EXPO 2002; June 3-6. — Amsterdam, Netherlands, 2002. — 8 p.

2. Кузнецова Т.А., Губарев Е.А. Отказоустойчивые алгоритмы идентификации входной информации бортовой математической модели в составе системы автоматического управления авиационного двигателя // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 6-1. — С. 39-43.

3. Кузнецова Т.А., Августинович В.Г., Губарев Е.А. Алгоритмы диагностики и парирования отказов каналов измерения системы

31

автоматического управления авиационным двигателем // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. — 2015. — № 16. — С. 5-14.

4. Borguet S., Léonard O. A Study on Sensor Selection for Efficient Jet Engine Health Monitoring // 12th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery. — Vol.: ISROMAC-2008-20072.

5. Кузнецова Т.А., Августинович В.Г. Применение нейронной сети для диагностики отказов датчиков каналов обратной связи САУ ГТД // Научно-технический вестник Поволжья. — 2017. — № 4. — С. 131-133.

6. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) / Минэнерго России. — 7-е изд. — М., 2016. — 461 c. — URL: https://ohranatruda.ru/ ot_biblio/normativ/data_normativ/7/7177/ (дата обращения: 15.11.2017).

7. Электрические кабели, провода и шнуры: справочник / сост. Н.И. Белоруссов [и др.]. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 536 с.

8. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. — М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2002. — 384 с.

9. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры / под общ. ред. В.А. Шахнова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. — 568 с.

10. Кузнецова Т.А., Репп П.В. Разработка робастной бортовой информационно-измерительной управляющей системы // Научно-технический вестник Поволжья. — 2016. — № 3. — С. 120-122.

11. Августинович В.Г., Кузнецова Т.А. Повышение надежности систем автоматического управления газотурбинными двигателями с применением алгоритмических методов // Известия Томск. политехн. ун-та. Инжиниринг георесурсов. — 2015. — Т. 326, № 9. — С. 68-77.

12. Repp P.V. The system of technical diagnostics of the industrial safety information network // Journal of Physics: Conference Series. — 2017. -Vol. 803, iss. 012127. DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012127

13. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. — М.: Юрайт, 2013. — 317 с.

14. Теоретические основы электротехники: в 3 т. Т. 3 / К.С. Де-мирчян, Л.Р. Нейман [и др.]. — СПб.: Питер, 2003. — 377 с.

15. Татур Т.А. Основы теории электромагнитного поля: отравоч. пособие. — М.: Высшая школа, 1989. — 271 с.

32

16. Теоретические основы электротехники. Т. 2: Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля / под ред. П.А. Ионкина. -2-е изд. — М.: Высшая школа, 1976. — 383 с.

17. Тамм И.Е. Основы теории электричества. — М.: Физматлит, 2003. — 615 с.

18. Смайт В. Электростатика и электродинамика. — М.: Иностр. лит-ра, 1954. — 604 с. — URL: http://padaread.com/?book=1416 (дата обращения: 15.11.2017).

19. Cheng David K. Fundamentals of Engineering Electromagnetics [electronic resource] // Reading, Mass Addison-Wesley Pub. Co. — 1993. -488 p. — URL: http://dl.offdownload.ir/ali/field%20and%20wave%20electro magnetics%20cheng.pdf (дата обращения: 15.11.2017).

20. Grant I.S., Phillips W.R. Electromagnetism. — 2nd еdё. — Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008. — 542 p. — URL: https://leseprobe.buch.de/images-adb/04/9e/049e4344-1388-42a5-bc09-04d cb67e27e.pdf (дата обращения: 15.11.2017).

References

1. Malloy D.J., Webb A.T., Kidman D.S. F-22/f119 Propulsion system ground and flight test analysis using modeling and simulation techniques. GT-2002-30001, ASME TURBO EXPO 2002, June 3-6. Amsterdam, Netherlands, 2002. 8 p.

2. Kuznetsova T.A., Gubarev E.A. Otkazoustoichivye algoritmy iden-tifikatsii vkhodnoi informatsii bortovoi matematicheskoi modeli v sostave sistemy avtomaticheskogo upravleniia aviatsionnogo dvigatelia [Fault-tolerant identification algorithms of input information for on-board mathematical models built-in the automatic control system of aircraft engines]. Fundamental’nye issledovaniia, 2015, no. 6-1, pp. 39-43.

3. Kuznetsova T.A., Avgustinovich V.G., Gubarev E.A. Algoritmy diagnostiki i parirovaniia otkazov kanalov izmereniia sistemy av-tomaticheskogo upravleniia aviatsionnym dvigatelem [The algorithms of measuring channels’ fault diagnostics and counteraction for automatic control system of aero-engines]. Vestnik Permskogo natsional’nogo issle-dovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Elektrotekhnika, informat-sionnye tekhnologii, sistemy upravleniia, 2015, no. 16, pp. 5-14.

4. Borguet S., Léonard O. A Study on Sensor Selection for Efficient Jet Engine Health Monitoring. 12th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, vol. ISR0MAC-2008-20072.

33

5. Kuznetsova T.A., Avgustinovich V.G. Primenenie neironnoi seti dlia diagnostiki otkazov datchikov kanalov obratnoi sviazi SAU GTD [The neural network application for fault diagnostics of feedback channels’ sensor in automatic control systems of modern aircraft gas-turbine engines]. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh’ia, 2017, no. 4, pp. 131-133.

6. Pravila ustroistva elektroustanovok (PUE) [Rules of the electrical facilities’ arrangment]. 2nd ed. Moscow: Minenergo Rossii, 2016, 461 p., available at: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/normativ/data_normativ/7/7177/ (accessed 15 November 2017).

7. Belorussov N.I. et al. Elektricheskie kabeli, provoda i shnury: spra-vochnik [Electrical cables, wires and cords: directory]. Moscow: Energoa-tomizdat, 1988. 536 p.

8. Kelim Iu.M. Tipovye elementy sistem avtomaticheskogo uprav-leniia [Typical elements of automatic control systems]. Moscow: FORUM-INFRA-M, 2002. 384 p.

9. Konstruktorsko-tekhnologicheskoe proektirovanie elektronnoi apparatury [Development and technology design of electronics]. Ed. V.A. Shakhnova. Moscow: Moskovskii gosudarstvennyi tekhnicheskii uni-versitet imeni N.E. Baumana, 2005. 568 p.

10. Kuznetsova T.A., Repp P.V. Razrabotka robastnoi bortovoi in-formatsionno-izmeritel’noi upravliaiushchei sistemy [The robust on-board information and measurement control systems’ development]. Nauchno-tekhnicheskii vestnik Povolzh’ia, 2016, no. 3, pp. 120-122.

11. Avgustinovich V.G., Kuznetsova T.A. Povyshenie nadezhnosti sistem avtomaticheskogo upravleniia gazoturbinnymi dvigateliami s prime-neniem algoritmicheskikh metodov [Improving the reliability of automatic control systems of gas turbine engines with application of algorithmic methods]. Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov, 2015, vol. 326, no. 9, pp. 68-77.

12. Repp P.V. The system of technical diagnostics of the industrial safety information network. Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 803, iss. 012127. DOI: 10.1088/1742-6596/803/1/012127

13. Bessonov L.A. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Elektro-magnitnoe pole [Theoretical bases of electrical engineering. Electromagnetic field]. Moscow: Iurait, 2013. 317 p.

14. Demirchian K.S., Neiman L.R. [et al.]. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Tom 3 [Theoretical bases of electrical engineering. Vol. 3]. Saint Petersburg: Piter, 2003, vol. 3. 377 p.

34

15. Tatur T.A. Osnovy teorii elektromagnitnogo polia: cpravochnoe posobie [Fundamentals of the theory of electromagnetic field: reference manual]. Moscow: Vysshaia shkola, 1989. 271 p.

16. Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Tom 2. Nelineinye tsepi i osnovy teorii elektromagnitnogo polia [Theoretical bases of electrical engineering. Vol. 2. Nonlinear circuits and the foundations of the theory of the electromagnetic field]. 2nd ed. Ed. P.A. Ionkin. Moscow: Vysshaia shkola, 1976. 383 p.

17. Tamm I.E. Osnovy teorii elektrichestva [Fundamentals of the theory of electricity]. Moscow: Fizmatlit, 2003. 615 p.

18. Smait V. Elektrostatika i elektrodinamika [Static and Dynamic electricity]. Moscow: Inostrannaia literatura, 1954. 604 p, available at: http://padaread.com/?book=1416 (accessed 15 November 2017).

19. Cheng David K. Fundamentals of Engineering Electromagnetics. Reading, Mass Addison-Wesley Pub. Co, 1993. 488 p., available at: http://dl.offdownload.ir/ali/field%20and%20wave%20electromagnetics%20 cheng.pdf (accessed 15 November 2017).

20. Grant I.S., Phillips W.R. Electromagnetism. 2nd ed. Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008. 542 p., available at: https://leseprobe.buch.de/images-adb/04/9e/049e4344-1388-42a5-bc09-204dcb67e27e.pdf (accessed 15 November 2017).

Сведения об авторе

Кузнецова Татьяна Александровна (Пермь, Россия) — кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструирование и технологии в электротехнике» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: tatianaakuznetsova@gmail. com).

About the author

Kuznetsova Tatiana Alexandrovna (Perm, Russian Federation) is a Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor Department of Constructional Design and Technologies in Electrical Engineering Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: tatianaakuznetsova@gmail. com).

Получено 30.01.2018

35

Работа электрического поля при перемещении заряда

Чем на самом деле является напряжение? Это способ описания и измерения напряженности электрического поля. Само по себе напряжение не может существовать без электронного поля вокруг положительных и отрицательных зарядов. Так же, как магнитное поле окружает Северный и Южный полюса.

По современным понятиям, электроны не оказывают взаимного влияния. Электрическое поле – это нечто, что исходит от одного заряда и его присутствие может ощущаться другим.

О понятии напряженности можно сказать то же самое! Просто это помогает нам представить, как электрическое поле может выглядеть. Честно говоря, оно не обладает ни формой, ни размером, ничем подобным. Но поле функционирует с определённой силой на электроны.

Силы и их действие на заряженную частицу

На заряженный электрон, воздействует сила с некоторым ускорением, заставляя его перемещаться все быстрее и быстрее. Этой силой совершается работа по передвижению электрона.

Силовые линии – это воображаемые очертания, которые возникают вокруг зарядов (определяется электрическим полем), и если мы поместим какой-либо заряд в эту область, он испытает силу.

Свойства силовых линий:

• путешествуют с севера на юг;
• не имеют взаимных пересечений.

Почему у двух силовых линий не возникает пересечений? Потому что не бывает этого в реальной жизни. То, о чём говорится, является физической моделью и не более. Физики изобрели её для описания поведения и характеристик электрического поля. Модель очень хороша при этом. Но помня, что это всего лишь модель, мы должны знать о том, для чего такие линии нужны.

Силовые линии демонстрируют:

• направления электрических полей;
• напряженность. Чем ближе линии, тем больше сила поля и наоборот.

Если нарисованные силовые линии нашей модели пересекутся, расстояние меж ними станет бесконечно малыми. Из-за силы поля, как формы энергии, и из-за фундаментальных законов физики это невозможно.

Что такое потенциал?

Потенциалом называется энергия, которая затрачивается на передвижение заряженной частицы из первой точки, имеющей нулевой потенциал во вторую точку.

Разность потенциалов меж пунктами А и Б – это работа, производимая силами для передвижения некоего положительного электрона по произвольной траектории из А в Б.

Чем больший потенциал у электрона, чем больше плотность потока на единицу площади. Такое явление подобно гравитации. Чем больше масса, тем больше потенциал, тем интенсивнее и плотнее гравитационное поле на единицу площади.

Небольшой заряд с низким потенциалом, с прореженной плотностью потока показан на следующем рисунке.

А ниже показан заряд с большим потенциалом и плотностью потока.

Например: во время грозы электроны истощаются в одной точке и собираются в другой, образуя электрическое поле. Когда сила станет достаточной, чтобы сломать диэлектрическую проницаемость, получается удар молнии (состоящий из электронов). При выравнивании разности потенциалов электрическое поле разрушается.

Электростатическое поле

Это разновидность электрического поля, неизменного повремени, образуемого зарядами, которые не двигаются. Работа передвижения электрона определяется соотношениями,

где r1 и r2 – расстояния заряда q до начальной и конечной точки траектории движения. По полученной формуле видно, что работа при перемещении заряда из точки в точку не зависит от траектории, а зависит лишь от начала и конца перемещения.

На всякий электрон действует сила, и поэтому при перемещении электрона в поле выполняется определенная работа.

В электростатическом поле работа зависит лишь от конечных пунктов следования, а не от траектории. Поэтому, когда движение происходит по замкнутому контуру, заряд приходит в исходное положение, и величина работы становится равной нулю. Это происходит потому, что падение потенциала нулевое (поскольку электрон возвращается в ту же самую точку). Так как разность потенциалов нулевая, чистая работа будет также нулевой, ведь потенциал падения равен работе, деленной на значение заряда, выраженное в кулонах.

Об однородном электрическом поле

Однородным называется электрическое поле меж двух противоположно заряженных плоских металлических пластин, где линии напряженности параллельны между собой.

Почему сила действия на заряд в таком поле всегда одинаковая? Благодаря симметрии. Когда система симметрична и есть только одна вариация измерения, всякая зависимость исчезает. Есть много других фундаментальных причин для ответа, но фактор симметрии – самый простой.

Работа по передвижению положительного заряда

Электрическое поле – это поток электронов от «+» до «-», приводящий к высокой напряженности области.

Поток – это количество линий электрического поля, проходящих через него. В каком направлении будут положительные электроны двигаться? Ответ: по направлению электрического поля от положительного (высокого потенциала) к отрицательному (низкому потенциалу). Поэтому положительно заряженная частица будет двигаться именно в этом направлении.

Интенсивность поля во всякой точке определяется как сила, воздействующая на положительный заряд, помещенный в эту точку.

Работа заключается в переносе электронных частиц по проводнику. По закону Ома, можно определить работу разными вариациями формул, чтобы провести расчет.

Из закона сохранения энергии следует, что работа – это изменение энергии на отдельном отрезке цепи. Перемещение положительного заряда против электрического поля требует совершения работы и в результате получается выигрыш в потенциальной энергии.

Заключение

Из школьной программы мы помним, что электрическое поле образуется вокруг заряженных частиц. На любой заряд в электрическом поле воздействует сила, и вследствие этого при движении заряда выполняется некоторая работа. Большим зарядом создается больший потенциал, который производит более интенсивное или сильное электрическое поле. Это означает, что возникает больший поток и плотность на единицу площади.

Важный момент заключается в том, что должна быть выполнена определенной силой работа по перемещению заряда от высокого потенциала к низкому. Тем самым уменьшается разница заряда между полюсами. Перемещение электронов от токи до точки требует энергии.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Помощь с учёбой студентам онлайн от Натальи Брильёновой

Обо мне

Здравствуйте, я, Брильёнова Наталья Валерьевна, бывший преподаватель кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института. С 2014 года занимаюсь онлайн образованием. У меня работает большая команда бывших преподавателей с огромным опытом и квалификацией.

Мы за этот месяц выполнили:заказов.

Мы помогаем с предметами любого уровня сложности из разных учебных заведений: средняя школа, колледж или университет. Независимо от темы, объёма, – задание в одну формулу или большая расчётная работа от 80 страниц, я и моя команда всегда выполняем высококачественно. Каждый день, я и моя команда преподавателей помогаем ученикам и студентам учиться лучше.

Мы всегда соблюдаем сроки. Наша цель – чтобы вы учились на хорошие оценки! Нет времени, но хотите хорошую оценку? Попросите меня вам помочь! Согласуем с вами требования и сроки и через 1-4 дня всё будет на «отлично».

Почему лучше заказать у меня? Потому что, кроме меня и моей команды преподавателей, ваше задание никто не увидит, так как WhatsApp и Gmail конфиденциальные системы. При размещении заказа в других сервисах и биржах, ваш заказ выкладывается в открытый доступ сети интернет, и поисковые системы yandex и google их индексируют. В результате история вашего заказа становится доступна всем. А это значит, что любой пользователь сможет найти историю вашего заказа и, следовательно, преподаватели также смогут всё узнать. Поэтому обращаясь ко мне, вы получаете лучшую конфиденциальность и безопасность.

Мои особенности

Любой срок — любой предмет:

• Я и моя профессиональная команда поможет с любым предметом, независимо от темы или сложности.

Whatsapp чат 24/7:

• Общайтесь со мной в любое время [контакты здесь], чтобы обсудить детали заказа, и т. д.

Оригинальность:

• У меня разработан эффективный алгоритм проверки на плагиат. Я проверяю каждую работу через различные инструменты обнаружения плагиата для получения оригинального текста. Оригинальность наших работ от 88%.

Доступные цены:

• Я предлагаю самую лучшую цену. У меня есть скидки от 20% для тех, кто сделает больше пяти заказов.

Как заказать?

Напишите мне в whatsapp [контакты здесь] и прикрепите своё задание и методические материалы (лекции) и укажите сроки выполнения.

Я изучу ваш заказ и рассчитаю стоимость.

Как только вы оплатите свой заказ, я и моя команда преподавателей его выполняем.

В указанную вами дату или, возможно, раньше получаете свой заказ!

Часто задаваемые вопросы

Сколько стоит помощь?

• Цена зависит от объёма, сложности и срочности. Присылайте любые задания по любым предметам — я изучу и оценю.

Какой срок выполнения?

• Нам под силу выполнить как срочный заказ, так и сложный заказ. Стандартный срок выполнения – от 1 до 3 дней. Мы всегда стараемся выполнять любые заказы раньше срока.

Если требуется доработка, это бесплатно?

• Доработка заказ бесплатна. Срок выполнения от 1 до 2 дней.

Могу ли я не платить, если меня не устроит стоимость?

• Оценка стоимости вашего задания бесплатна.

Каким способом можно оплатить?

• Можно оплатить любым способом: картой Visa / MasterCard, с баланса мобильного, google pay, apple pay, qiwi и т.д.

В какое время я вам могу написать и прислать задание на выполнение?

• Присылайте в любое время! [контакты здесь]

Книга отзывов

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

5: Электростатика — Engineering LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Авторы и авторства

Электростатика — это теория электрического поля в условиях, в которых его поведение не зависит от магнитных полей, в том числе

• Электрическое поле, связанное с фиксированным распределением электрического заряда
• Емкость (способность конструкции накапливать энергию в электрическом поле)
• энергия , связанная с электростатическим полем
• Постоянный ток , индуцированный в проводящем материале в присутствии электростатического поля (по существу, закон Ома)

Термин «статический» относится к тому факту, что эти аспекты электромагнитной теории могут быть развиты, если предположить, что источники не зависят от времени; можно сказать, что электростатика — это изучение электрического поля на постоянном токе.Однако многие аспекты электростатики имеют отношение также к приложениям переменного тока, радиочастоты и более высоких частот.

• 5.1: Закон Кулона

  Рассмотрим две несущие заряд частицы в свободном пространстве. Пусть эти частицы имеют заряды q1 и q2, а R — расстояние между ними. Если частицы несут заряды одного знака, то частицы отталкиваются; в противном случае они привлекают. Это отталкивание или притяжение можно количественно определить как силу, испытываемую каждой частицей.Физические наблюдения показывают, что величина силы пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна R2. Для частицы 2 we f

• 5.2: Электрическое поле, обусловленное точечными зарядами

  Электрическое поле, возникающее из набора заряженных частиц, равно сумме полей, связанных с отдельными частицами.

• 5.3: Распределение заряда

  В принципе, наименьшая единица электрического заряда, которую можно выделить, — это заряд одного электрона.Это очень мало, и мы редко имеем дело с электронами по одному, поэтому обычно удобнее описывать заряд как величину, непрерывную в некоторой области пространства. В частности, удобно описывать заряд как распределенный одним из трех способов: по кривой, по поверхности или внутри объема.

• 5.4: Электрическое поле из-за непрерывного распределения заряда

  Обычно имеет место непрерывное распределение заряда, а не счетное количество заряженных частиц.В этом разделе мы расширяем дискретную перспективу распределения заряда до концепции непрерывного распределения заряда, чтобы мы могли обратиться к этому более общему классу проблем.

• 5.5: Закон Гаусса — интегральная форма

  Закон Гаусса — один из четырех фундаментальных законов классической электромагнетизма, вместе известных как уравнения Максвелла. Закон Гаусса гласит, что поток электрического поля через замкнутую поверхность равен приложенному заряду.

• 5.6: Электрическое поле из-за бесконечного линейного заряда с использованием закона Гаусса

  Одно из применений закона Гаусса — найти электрическое поле, создаваемое заряженной частицей. В этом разделе мы представляем другое приложение — электрическое поле из-за бесконечной линии заряда. Результат служит полезным «строительным блоком» для решения ряда других задач, включая определение емкости коаксиального кабеля.

• 5.7: Закон Гаусса — дифференциальная форма

  . поле.Например, электрическое поле из-за заряда в свободном пространстве отличается от электрического поля из-за того же заряда, расположенного рядом с идеально проводящей поверхностью. Фактически, эти подходы не учитывают возможность каких-либо пространственных изменений в составе материала.

• 5.8: Сила, энергия и разность потенциалов

  Сила Fe, испытываемая частицей в точке r, несущей заряд q в напряженности электрического поля E, равна Fe = qE (r) (5.8.1) Если бы эта частица оставалась одна в свободном пространстве, эта частица немедленно начала бы двигаться. Результирующее смещение представляет собой потерю потенциальной энергии. Эти потери можно количественно оценить с помощью концепции работы W. Дополнительная работа ΔW, совершаемая путем перемещения частицы на короткое расстояние Δl, на котором мы предполагаем, что изменение Fe незначительно.

• 5.9: Независимость пути

  Интеграл электрического поля на пути между двумя точками зависит только от местоположения начальной и конечной точек и не зависит от пути, пройденного между этими точками.

• 5.10: Закон напряжения Кирхгофа для электростатики — интегральная форма

  Закон напряжения Кирхгофа для электростатики утверждает, что интеграл электрического поля по замкнутому контуру равен нулю.

• 5.11: Закон напряжения Кирхгофа для электростатики — дифференциальная форма

  Интегральная форма закона напряжения Кирхгофа для электростатики утверждает, что интеграл электрического поля вдоль замкнутого пути равен нулю.В этом разделе мы выводим дифференциальную форму этого уравнения. В некоторых приложениях это дифференциальное уравнение в сочетании с граничными условиями, налагаемыми конструкцией и материалами, может использоваться для определения электрического поля в произвольно сложных сценариях.

• 5.12: Электрическое потенциальное поле из-за точечных зарядов

  Электрический потенциал в точке определяется как разность потенциалов, измеряемая от сферы бесконечного радиуса до точки r.Полученный таким образом потенциал находится по отношению к потенциалу бесконечно далеко.

• 5.13: Электрическое потенциальное поле из-за непрерывного распределения заряда

  Чаще имеет место непрерывное распределение заряда, а не счетное количество заряженных частиц. Теперь мы рассмотрим, как вычислить V (r) трех типов этих часто встречающихся распределений.

• 5.14: Электрическое поле как градиент потенциала

  Мы определили скалярное поле электрического потенциала V (r) как разность электрических потенциалов в точке r относительно нулевой точки на бесконечности.В этом разделе мы обращаемся к «обратной задаче», а именно к тому, как вычислить E (r) с учетом V (r). В частности, нас интересует прямое «точечное» математическое преобразование одного в другое.

• 5.15: Уравнения Пуассона и Лапласа

  Электрическое скалярное потенциальное поле V (r) полезно по ряду причин, включая возможность удобно вычислять разность потенциалов и способность удобно определять электрическое поле, беря градиент.В этом разделе мы разрабатываем альтернативный подход к вычислению V (r), который учитывает эти граничные условия и облегчает анализ скалярного потенциального поля. Этот альтернативный подход основан на уравнении Пуассона.

• 5.16: Потенциальное поле внутри параллельного пластинчатого конденсатора

  В этом разделе представлен простой пример, демонстрирующий использование уравнения Лапласа для определения потенциального поля в области, свободной от источника. Пример относится к важной конструкции в теории электромагнетизма — конденсатору с параллельными пластинами.Здесь нас интересует только потенциальное поле V (r) между пластинами конденсатора; вам не нужно знать емкость или конденсаторы, чтобы следовать этому разделу.

• 5.17: Граничные условия для напряженности электрического поля (E)

  В однородных средах электромагнитные величины изменяются плавно и непрерывно. Однако на границе между разнородными средами электромагнитные величины могут быть прерывистыми. Эти разрывы можно математически описать как граничные условия и использовать для ограничения решений для связанных электромагнитных величин.В этом разделе мы выводим граничные условия на напряженность электрического поля E.

• 5.18: Граничные условия для плотности электрического потока (D)

  В этом разделе мы выводим граничные условия для плотности электрического потока D. Соображения очень похожи на те, которые встречаются при разработке граничных условий для напряженности электрического поля (E).

• 5.19: Заряд и электрическое поле для идеально проводящей области

  В этом разделе мы рассмотрим поведение заряда и электрического поля вблизи идеального электрического проводника (PEC).

• 5.20: Диэлектрическая среда

  Диэлектрик — это особая категория материалов, которые демонстрируют низкую проводимость, потому что составляющие их молекулы остаются неповрежденными при воздействии электрического поля, а не отрывают электроны, как в случае с хорошими проводниками. Следовательно, диэлектрики не пропускают ток эффективно и поэтому считаются «хорошими изоляторами», а также «плохими проводниками». Важным применением диэлектриков в электротехнике является прокладка в печатных платах и ​​коаксиальных кабелях.

• 5.21: Пробой диэлектрика

  Все практические диэлектрики выходят из строя из-за достаточно сильного электрического поля, которое является резким и наблюдается как внезапное резкое увеличение проводимости, сигнализирующее об успешном вытеснении электронов из их молекул-хозяев. Пороговое значение напряженности электрического поля, при котором это происходит, известно как электрическая прочность, а резкое изменение поведения, наблюдаемое в присутствии электрического поля, превышающего это пороговое значение, известно как пробой диэлектрика.

• 5.22: Емкость

  Емкость — это способность конструкции накапливать энергию в электрическом поле.

• 5.23: Конденсатор с тонкими параллельными пластинами

  В этом разделе определяется емкость конденсатора общего типа, известного как конденсатор с тонкими параллельными пластинами. Этот конденсатор состоит из двух плоских пластин, каждая из которых имеет площадь A, разделенную расстоянием d.

• 5.24: Емкость коаксиальной структуры

  В этом разделе определяется емкость коаксиально расположенных проводников.Помимо других приложений, эта информация полезна при анализе волн напряжения и тока в коаксиальной линии передачи.

• 5.25: Электростатическая энергия

  Если предположить, что проводники не могут свободно двигаться, потенциальная энергия сохраняется в электрическом поле, связанном с поверхностными зарядами. Теперь мы задаемся вопросом, какая энергия хранится в этом поле? Ответ на этот вопрос актуален для нескольких инженерных приложений. Например, когда конденсаторы используются в качестве батарей, полезно знать количество энергии, которое может быть сохранено.

Эскиз: Линии электрического поля из-за точечного заряда вблизи областей PEC (заштрихованы) различной формы. (CC BY SA 4.0; К. Киккери).

Авторы и авторство

NPTEL :: Электротехника — Электромагнитные поля

9025 Градиент
9025 Смещение вектора 9025 Размеры 9025 2 Equation Загрузка 2 9025 0252 9025
Проверено 3325 9025 9025 oad
Проверено

1

Введение в Vector

Скачать Проверено

2

Введение в Vector (продолжение)

Скачать Проверено

3 Coulomb Закон

Загрузить Проверено

4

Электрическое поле

Загрузить Подтверждено

5

Электростатический потенциал

Загрузить Проверено

7

Закон Гаусса

Загрузить Подтверждено

8

Уравнение Пуассона

Загрузить Проверено

9

Energy In The Field

51 Пример проблем в электростатике

Загрузить Проверено

11

Поля в материалах

Загрузить Проверено

12

Поля в материальных телах

Загрузить

Загрузить Проверено

14

Конденсаторы

Загрузить Проверено

15

Метод изображений

Загрузить Проверено

16

17

Поле рядом с острыми краями и точками

Загрузка Подтверждено

18

Магнитное поле 1

Загрузка Проверено

19

Проверено магнитное поле 2

20

Теоремы Стокса

Загрузить Проверено

21

The curl

Загрузить Проверено

22

Поле из-за токовой петли

Закон Ампера

Загрузка Проверено

24

Примеры закона Ампера

Загрузить Проверено

25

Индуктивность

Загрузите

27

Закон Фарадея

Загрузить Проверено

28

Магнитная энергия

Загрузить Проверено

29

30

Магнитная энергия (продолжение)

Загрузить Проверено

31

Обобщенный закон Ампера

Загрузить Проверено

32

Волновое уравнение

Волновое уравнение

Загрузить Проверено

34

Теорема Пойнтинга

Загрузить Проверено

35

Эффект кожи

Загрузить Проверено

Загрузить Проверено

37

Излучение и схемы

Загрузить Проверено

38

Теорема Пойнтинга в форме фазора

Загрузить

Проверено

40

Отражение на границах диэлектрика — Продолжение

Загрузить Проверено

41

Линии передачи

Загрузить Проверено

42 9025

Скачать Проверено

Введение в электромагнитные поля: ESE & GATE EE

• Электромагнитная теория — это дисциплина, связанная с изучением зарядов в состоянии покоя и в движении.
• Электромагнитные принципы лежат в основе изучения электротехники и физики.
• Теория электромагнетизма также необходима для понимания, анализа и проектирования различных электрических, электромеханических и электронных систем.
• Области применения: ВЧ-связь, микроволновая техника, антенны, электрические машины, спутниковая связь, атомные и ядерные исследования, радиолокационные технологии, дистанционное зондирование, квантовая электроника, СБИС и т. Д.
• Теорию электромагнетизма можно рассматривать как обобщение теории цепей.
• Есть определенные ситуации, с которыми можно справиться исключительно с точки зрения теории поля.
• В теории электромагнетизма задействованные величины можно разделить на исходных величин и величин поля.
• Источником электромагнитного поля являются электрические заряды: в состоянии покоя или в движении.
• Однако электромагнитное поле может вызвать перераспределение зарядов, которые, в свою очередь, изменяют поле, и, следовательно, разделение причины и следствия не всегда видно.
• Электрический заряд — фундаментальное свойство материи.
• Электромагнитные поля создаются электрическими зарядами в состоянии покоя и в движении.
• Положительные и отрицательные электрические заряды являются источниками электрических полей, а движущиеся электрические заряды, порождающие ток, являются источником магнитных полей.
• Заряд существует только в положительном или отрицательном целом кратном электронного заряда , -e, e = 1,60 × 10 ^-19 кулонов.
• Изменяющиеся во времени электрическое и магнитное поля связаны в электромагнитном поле, исходящем от источника.
• Электромагнитная теория имеет дело непосредственно с векторами электрического и магнитного поля, тогда как теория цепей имеет дело с напряжениями и токами.
• Напряжения и токи — это интегрированные эффекты электрического и магнитного полей соответственно.

Электромагнитные поля делятся на четыре различные величины:

• Плотность магнитного потока (B) с единицей измерения T (тесла или вольт-секунда на квадратный метр)
• Напряженность магнитного поля (H) с единицей A / м (Ампер на метр)
• Напряженность электрического поля (E) с единицей измерения В / м (Вольт на метр)
• Плотность электрического потока (D) с единицей измерения Кл / м ² (Кулон на квадрат метр)

Электростатика

Распределение заряда: В электростатике мы имеем дело с точечными зарядами и различными типами распределения заряда, такими как распределение объемного заряда, линейное распределение заряда и распределение поверхностного заряда. Распределение платы за объем:

• Определяется как плата за единицу объема.

где ΔQ — небольшое количество заряда в малом объеме ΔV.

• Общий заряд в пределах определенного объема получается путем вычисления интеграла объема по всему объему.

Где, ρ _v = объемная плотность заряда, а dV = дифференциальный объем

Распределение линейного заряда:

• При линейном распределении заряда весь заряд линейно распределяется по длине линии, и это определяется плотностью заряда лайнера.
• Это плата за единицу длины.

где, ρ _L = линейная плотность заряда, а dL = дифференциальная длина

Распределение заряда на поверхности (листе):

• При поверхностном распределении заряда заряд равномерно распределяется по поверхности листа и определяется поверхностной плотностью заряда.
• Это плата за единицу площади.

Здесь ρ _S = поверхностная плотность заряда, а dS = дифференциальная площадь.

Как стать полевым инженером-электриком

Полевой инженер-электрик является выездным экспертом в области электрических систем, технологий и инструментов. Они несут ответственность за установку электрических линий и оборудования, проверку качества установленных технологий и обеспечение безопасности и устойчивости электрических систем.

Некоторые из более специфических обязанностей полевого инженера-электрика включают выполнение плановых проверок электрических систем, контроль планов и графиков работы и внесение вклада в документацию по системе или продукту.Инженер-электрик должен обладать навыками технического письма, коммуникаций, а также технических норм и стандартов. Они также должны хорошо разбираться в настройках команды, часто сотрудничая с другими инженерами и техническими специалистами при реализации проектов.

Чтобы получить квалификацию для работы, полевой инженер-электрик должен иметь как минимум степень бакалавра в области электротехники и подтвержденный опыт работы в отрасли. От них также требуется иметь опыт работы с программным обеспечением для проектирования и расчета электрических систем и глубокие знания в области электрических процессов.

Когда дело доходит до полевого инженера-электрика, это больше, чем кажется на первый взгляд. Например, знаете ли вы, что они зарабатывают в среднем 34,72 доллара в час? Это 72 224 доллара в год!

Ожидается, что в период с 2018 по 2028 год карьера вырастет на 2% и создаст 8000 рабочих мест в США.

Многие полевые инженеры-электрики обладают определенными навыками для выполнения своих обязанностей. Просматривая резюме, мы смогли сузить круг наиболее общих навыков для человека на этой должности.Мы обнаружили, что во многих резюме указаны концентрация, инициативность и разговорные навыки.

Когда дело доходит до наиболее важных навыков, необходимых для полевого инженера-электрика, мы обнаружили, что во многих резюме указано, что 18,0% инженеров-электриков включают электрические системы, в то время как 9,7% резюме включают системы управления и 8,8% резюме. включен пуск. Подобные твердые навыки полезны, когда дело касается выполнения основных должностных обязанностей.

Когда дело доходит до поиска работы, многие ищут ключевой термин или фразу.Вместо этого может быть более полезным поиск по отраслям, поскольку вам может не хватать вакансий, о которых вы никогда не думали, в отраслях, которые, как вы даже не думали, предлагают должности, связанные с должностью полевого инженера-электрика. Но с какой отрасли начать? Большинство инженеров-электриков фактически находят работу в строительной и технологической отраслях.

Если вы хотите стать инженером-электриком, в первую очередь следует подумать о том, какое образование вам нужно.Мы определили, что 60,5% инженеров-электриков имеют степень бакалавра. Что касается уровня высшего образования, мы обнаружили, что 5,4% инженеров-электриков имеют степень магистра. Несмотря на то, что большинство инженеров-электриков имеют высшее образование, можно получить только высшее образование или GED.

Выбор подходящей специальности всегда является важным шагом при изучении того, как стать полевым инженером-электриком. Когда мы исследовали наиболее распространенные специальности для полевого инженера-электрика, мы обнаружили, что они чаще всего получают степень бакалавра или младшего специалиста.Другие степени, которые мы часто видим в резюме инженеров-электриков, включают степень магистра или диплом средней школы.

Возможно, вы обнаружите, что опыт работы на других должностях поможет вам стать полевым инженером-электриком. Фактически, многие рабочие места полевого инженера-электрика требуют опыта работы в должности инженера-электрика. Между тем, многие инженеры-электрики также имеют предыдущий опыт работы на должностях электрика или полевого инженера.

Стимуляция электрического поля для тканевой инженерии | BMC Biomedical Engineering

1.

Colello RJ, Александр JK. Электрические поля: их природа и влияние на биологические системы. В: Моркоч Х, редактор. Передовые полупроводниковые и органические нанотехнологии; 2003. с. 319–46.

Google Scholar

2.

Райничек А.М., Пень РФ, Робинсон КР. Эндогенный натриевый ток может опосредовать заживление ран у Xenopus nerulae. Dev Biol. 1988. 128 (2): 290–9.

Артикул Google Scholar

3.

Borgens RB, Vanable JW Jr, Jaffe LF. Уменьшение натрийзависимого тока культи нарушает регенерацию уродельной конечности. J Exp Zool. 1979. 209 (3): 377–86.

Артикул Google Scholar

4.

Дженкинс Л.С., Дюрсток Б.С., Боргенс РБ. Уменьшение тока травмы при выходе из ампутации тормозит регенерацию конечностей у красного пятнистого тритона. Dev Biol. 1996. 178 (2): 251–62.

Артикул Google Scholar

5.

Chiang MC, Cragoe EJ Jr, Vanable JW Jr. Собственные электрические поля способствуют эпителизации ран у тритона, Notophthalmus viridescens . Dev Biol. 1991. 146 (2): 377–85.

Артикул Google Scholar

6.

Чжао М. Электрические поля при заживлении ран — главный сигнал, который направляет миграцию клеток. Semin Cell Dev Biol. 2009. 20 (6): 674–82.

Артикул Google Scholar

7.

Тран В., Чжан Х, Цао Л., Ли Х, Ли Б., Со М. и др. Модуляция синхронизации увеличивает трансэпителиальные потенциалы в монослоях MDCK посредством насосов Na / K. PLoS One. 2013; 8 (4): e61509.

Артикул Google Scholar

8.

Fröhlich F, McCormick DA. Эндогенные электрические поля могут направлять активность неокортикальной сети. Нейрон. 2010. 67 (1): 129–43.

Артикул Google Scholar

9.

Ши Р., Боргенс РБ. Трехмерные градиенты напряжения во время развития нервной системы как невидимые координаты для установления эмбрионального паттерна. Dev Dyn. 1995. 202 (2): 101–14.

Артикул Google Scholar

10.

Рид Б., Сонг Б., Маккейг К.Д., Чжао М. Заживление ран в роговице крысы: роль электрических токов. FASEB J. 2005; 19 (3): 379–86.

Артикул Google Scholar

11.

Chiang M, Cragoe EJ Jr, Vanable JW Jr. Электрические поля вблизи небольших ран на коже Notophthalmus viridescens. Biol Bull. 1989. 176 (2S): 179–83.

Артикул Google Scholar

12.

Nuccitelli R, Nuccitelli P, Ramlatchan S, Sanger R, Smith PJ. Визуализация электрического поля, связанного с ранами кожи мыши и человека. Регенерация заживления ран. 2008. 16 (3): 432–41.

Артикул Google Scholar

13.

Barker AT, Jaffe LF, Vanable JW Jr. В голом эпидермисе деструкции находится мощная батарея. Am J Phys. 1982; 242 (3): R358–66.

Google Scholar

14.

Cao L, Wei D, Reid B, Zhao S, Pu J, Pan T, et al. Эндогенные электрические токи могут управлять ростральной миграцией нейробластов. EMBO Rep. 2013; 14 (2): 184–90.

Артикул Google Scholar

15.

Химер Б., Крогулл М., Бендер Т., Зибарт Дж., Крюгер С., Бадер Р. и др.Влияние электростимуляции на хондроциты и мезенхимальные стволовые клетки человека в условиях нормоксии и гипоксии. Мол Мед Реп. 2018; 18 (2): 2133–41.

Google Scholar

16.

Вака-Гонсалес Дж., Гевара Дж., Вега Дж., Гарсон-Альварадо Д. Структура электрической стимуляции хондроцитов in vitro: методика расчета электрических полей и модуляции пролиферации, гибели клеток и синтеза гликозаминогликанов. Cell Mol Bioeng. 2016; 9 (1): 116–26.

Артикул Google Scholar

17.

Лирани-Гальвао А.П., Бергамаски CT, Сильва О.Л., Лазаретти-Кастро М. Стимуляция электрическим полем улучшает минеральную плотность костей у крыс с удаленными яичниками. Braz J Med Biol Res. 2006. 39 (11): 1501–5.

Артикул Google Scholar

18.

Oliveira KMC, Barker JH, Berezikov E, Pindur L, Kynigopoulos S, Eischen-Loges M, et al. Электрическая стимуляция смещает заживление / рубцевание в сторону регенерации в модели ампутации конечности крысы.Научный доклад 2019; 9 (1): 11433.

Артикул Google Scholar

19.

Такрал Дж., Лафонтен Дж., Наджафи Б., Талал Т.К., Ким П., Лавери Л.А. Электростимуляция для ускорения заживления ран. Голеностопная стопа диабетической стопы. 2013; 4. https://doi.org/10.3402/dfa.v4i0.22081. PMID: 24049559; PMCID: PMC3776323.

20.

Робинсон КР. Реакции клеток на электрические поля: обзор. J Cell Biol. 1985. 101 (6): 2023–207.

Артикул Google Scholar

21.

Nuccitelli R. Роль эндогенных электрических полей в заживлении ран. Curr Top Dev Biol. 2003. 58: 1-26.

Артикул Google Scholar

22.

Бэнкс Т.А., Лакман П.С., Фрит Дж. Э., Купер-Уайт Дж. Дж. Влияние электрических полей на поведение и морфологию мезенхимальных стволовых клеток человека с использованием нового многоканального устройства. Интегр Биол (Камб). 2015; 7 (6): 693–712.

Артикул Google Scholar

23.

Морган KY, черный LD III. Имитация изоволюмического сокращения с помощью комбинированной электромеханической стимуляции улучшает развитие инженерных сердечных конструкций. Tissue Eng Part A. 2014; 20 (11–12): 1654–67.

Артикул Google Scholar

24.

Вс Ю.С. Изучение электротаксиса в микрофлюидных устройствах. Датчики (Базель). 2017; 17 (9): 2048. https://doi.org/10.3390/s17092048. PMID: 28880251; PMCID: PMC5621068.

25.

Li J, Lin F. Микрожидкостные устройства для изучения хемотаксиса и электротаксиса. Trends Cell Biol. 2011; 21 (8): 489–97.

Артикул Google Scholar

26.

Hou HS, Chang HF, Cheng JY. Электротаксические исследования клеток рака легких с использованием многоканального микрожидкостного чипа с двойным электрическим полем. J Vis Exp. 2015; 106: e53340.

Google Scholar

27.

O’Connell GD, Tan AR, Cui V, Bulinski JC, Cook JL, Attur M, et al.Миграционное поведение хондроцитов человека, определяющее развитие искусственного хряща. J Tissue Eng Regen Med. 2017; 11 (3): 877–86.

Артикул Google Scholar

28.

Wang CC, Kao YC, Chi PY, Huang CW, Lin JY, Chou CF и др. Асимметричный рост филоподий раковых клеток, индуцированный электрическими полями в микрожидкостном культуральном чипе. Лабораторный чип. 2011; 11 (4): 695–9.

Артикул Google Scholar

29.

Симпсон MJ, Lo KY, Sun YS. Количественная оценка роли случайной подвижности и направленной подвижности с использованием теории адвекции-диффузии для анализа миграции клеток фибробластов 3T3, стимулированных электрическим полем. BMC Syst Biol. 2017; 11 (1): 39.

Артикул Google Scholar

30.

Zhao S, Zhu K, Zhang Y, Zhu Z, Xu Z, Zhao M, et al. ElectroTaxis-on-a-Chip (ETC): интегрированная платформа для количественного высокопроизводительного скрининга на предмет миграции клеток, направляемой электрическим полем.Лабораторный чип. 2014. 14 (22): 4398–405.

Артикул Google Scholar

31.

Li Y, Xu T, Zou H, Chen X, Sun D, ​​Yang M. Микрофлюидика миграции клеток для исследования гетерогенности клеток рака легких на основе электротаксиса. Biosens Bioelectron. 2017; 89 (Pt 2): 837–45.

Артикул Google Scholar

32.

Li J, Zhu L, Zhang M, Lin F. Микрожидкостное устройство для изучения миграции клеток в одиночных или сосуществующих химических градиентах и ​​электрических полях.Биомикрофлюидика. 2012. 6 (2): 24121–2412113.

Артикул Google Scholar

33.

Li J, Nandagopal S, Wu D, Romanuik SF, Paul K, Thomson DJ, et al. Активированные Т-лимфоциты мигрируют к катоду электрических полей постоянного тока в микрофлюидных устройствах. Лабораторный чип. 2011. 11 (7): 1298–304.

Артикул Google Scholar

34.

Rio M, Bola S, Funk RHW, Gerlach G. Микрофлюидное измерение подвижности клеток в ответ на приложенные неоднородные электрические поля постоянного тока.J Sens Sens Syst. 2016; 5 (2): 237–43.

Артикул Google Scholar

35.

Сонг С., Хан Х, Ко УХ, Ким Дж, Шин Дж. Совместное влияние электрического поля и напряжения сдвига жидкости на миграцию фибробластов. Лабораторный чип. 2013. 13 (8): 1602–11.

Артикул Google Scholar

36.

Хуанг Ю.Дж., Скьяппарелли П., Козельски К., Грин Дж., Лавелл Э., Герреро-Казарес Х. и др. Электрофорез гепарансульфата клеточной мембраны регулирует гальванотаксис в глиальных клетках.J Cell Sci. 2017; 130 (15): 2459–67.

Артикул Google Scholar

37.

Lin F, Baldessari F, Gyenge CC, Sato T, Chambers RD, Santiago JG, et al. Электротаксис лимфоцитов in vitro и in vivo. J Immunol. 2008. 181 (4): 2465–71.

Артикул Google Scholar

38.

Финкельштейн EI, Chao PH, Hung CT, Bulinski JC. Индуцированная электрическим полем поляризация заряженных белков клеточной поверхности не определяет направление гальванотаксиса.Цитоскелет клеточного мотиля. 2007. 64 (11): 833–46.

Артикул Google Scholar

39.

Tsai CH, Lin BJ, Chao PH. Интегрин alpha2beta1 и RhoA опосредуют индуцированную электрическим полем направленность миграции фибробластов связок. J Orthop Res. 2013. 31 (2): 322–7.

Артикул Google Scholar

40.

Tan AR, Alegre-Aguaron E, O’Connell GD, VandenBerg CD, Aaron RK, Vunjak-Novakovic G, et al.Зависимая от пассажа взаимосвязь между мобилизацией мезенхимальных стволовых клеток и хондрогенным потенциалом. Osteoarthr Cartil. 2015; 23 (2): 319–27.

Артикул Google Scholar

41.

Babona-Pilipos R, Pritchard-Oh A, Popovic MR, Morshead CM. Двухфазная монополярная электрическая стимуляция вызывает быстрый и направленный гальванотаксис у взрослых субэпендимных нервных предшественников. Stem Cell Res Ther. 2015; 6: 67.

Артикул Google Scholar

42.

Dube J, Rochette-Drouin O, Levesque P, Gauvin R, Roberge CJ, Auger FA и др. Кератиноциты человека реагируют на стимуляцию постоянным током увеличением внутриклеточного кальция: предпочтительный ответ низкодифференцированных клеток. J. Cell Physiol. 2012. 227 (6): 2660–7.

Артикул Google Scholar

43.

Коэн Д.Дж., Нельсон В.Дж., Махарбиз ММ. Гальванотаксический контроль коллективной миграции клеток в монослоях эпителия. Nat Mater.2014; 13 (4): 409–17.

Артикул Google Scholar

44.

Ким М.С., Ли М.Х., Квон Б.Дж., Сео Х.Д., Ку М.А., Ю К.Е. и др. Контроль неонатальной миграции дермальных фибробластов человека на поверхностях, покрытых поли (молочной и гликолевой кислотой), с помощью электротаксиса. J Tissue Eng Regen Med. 2017; 11 (3): 862–8.

Артикул Google Scholar

45.

Schopf A, Boehler C, Asplund M. Аналитические методы для определения электрохимических факторов в установках электротаксиса и их значение для экспериментального дизайна.Биоэлектрохимия. 2016; 109: 41–8.

Артикул Google Scholar

46.

Song B, Gu Y, Pu J, Reid B, Zhao Z, Zhao M. Приложение электрического поля постоянного тока к клеткам и тканям in vitro и модуляция электрического поля раны in vivo. Nat Protoc. 2007. 2 (6): 1479–89.

Артикул Google Scholar

47.

Чжао М., Агиус-Фернандес А., Forrester JV, McCaig CD.Ориентация и направленная миграция культивируемых эпителиальных клеток роговицы в небольших электрических полях зависят от сыворотки. J Cell Sci. 1996; 109 (Pt 6): 1405–14.

Google Scholar

48.

McBain VA, Forrester JV, McCaig CD. HGF, MAPK и небольшое физиологическое электрическое поле взаимодействуют во время миграции эпителиальных клеток роговицы. Инвестируйте Ophthalmol Vis Sci. 2003. 44 (2): 540–7.

Артикул Google Scholar

49.

Александр Дж.К., Фусс Б., Колелло Р.Дж. Выравнивание астроцитов, индуцированное электрическим полем, направляет рост нейритов. Neuron Glia Biol. 2006. 2 (2): 93–103.

Артикул Google Scholar

50.

Bai H, Forrester JV, Zhao M. Электростимуляция постоянным током усиливает ангиогенные факторы в эндотелиальных клетках посредством активации рецепторов VEGF. Цитокин. 2011; 55 (1): 110–5.

Артикул Google Scholar

51.

Го Х, Цзян Х, Рен Х, Сунь Х, Чжан Д., Чжан Кью и др. Гальванотаксическая миграция кератиноцитов усиливается гипоксическим прекондиционированием. Научный доклад 2015; 5: 10289.

Артикул Google Scholar

52.

Лю Дж, Ян XL, Чжэн XL, Мэй Л., Ван С., Хан Дж и др. Воздействие электрического поля способствует эпителиально-мезенхимальному переходу в эпителиальных клетках хрусталика человека посредством передачи сигналов интегрина бета1-FAK. Мол Мед Реп. 2017; 16 (4): 4008–14.

Артикул Google Scholar

53.

Zimolag E, Borowczyk-Michalowska J, Kedracka-Krok S, Skupien-Rabian B, Karnas E, Lasota S, et al. Электрическое поле как потенциальный сигнал направления в возвращении мезенхимальных стволовых клеток костного мозга к кожным ранам. BBA Mol Cell Res. 2017; 1864 (2): 267–79.

Google Scholar

54.

Бабона-Пилипос Р., Лю Н., Притчард-О А., Мок А., Бадави Д., Попович М. Р. и др. Приток кальция по-разному регулирует скорость и направленность миграции в ответ на приложение электрического поля.Exp Cell Res. 2018; 368 (2): 202–14.

Артикул Google Scholar

55.

Чао ПХ, Рой Р., Маук Р.Л., Лю В., Валхму, ВБ, Хунг, CT. Ответ транслокации хондроцитов на электрические поля постоянного тока. J Biomech Eng. 2000. 122 (3): 261–7.

Артикул Google Scholar

56.

Finkelstein E, Chang W, Chao PH, Gruber D, Minden A, Hung CT, et al. Роль микротрубочек, полярность клеток и адгезия в опосредованной электрическим полем подвижности фибробластов 3T3.J Cell Sci. 2004; 117 (Pt 8): 1533–45.

Артикул Google Scholar

57.

Gunja NJ, Dujari D, Chen A, Luengo A, Fong JV, Hung CT. Миграционные реакции клеток внешнего и внутреннего мениска на приложенные электрические поля постоянного тока. J Orthop Res. 2012; 30 (1): 103–11.

Артикул Google Scholar

58.

Ariza CA, Fleury AT, Tormos CJ, Petruk V, Chawla S, Oh J, et al.Влияние электрических полей на нейральные клетки-предшественники гиппокампа. Stem Cell Rev Rep. 2010; 6 (4): 585–600.

Артикул Google Scholar

59.

Тандон Н., Го Б., Марсано А, Чао П. Н., Монтури-Соррентино С., Гимбл Дж. И др. Выравнивание и удлинение стволовых клеток, полученных из жировой ткани человека, в ответ на электрическую стимуляцию постоянным током. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2009; 2009: 6517–21.

Google Scholar

60.

Hammerick KE, Longaker MT, Prinz FB. In vitro воздействие электрических полей постоянного тока на стромальные клетки, полученные из жировой ткани. Biochem Biophys Res Commun. 2010. 397 (1): 12–7.

Артикул Google Scholar

61.

Хео С., Ю Дж, Ли Си, Ли С., Джу Эй, Хонг С.Б. и др. Повышение подвижности нервных клеток с помощью прозрачного стимулятора электрического поля. J Nanosci Nanotechnol. 2012. 12 (7): 5222–7.

Артикул Google Scholar

62.

Koppes AN, Seggio AM, Thompson DM. Рост нейритов значительно увеличивается при одновременном представлении шванновских клеток и умеренных экзогенных электрических полей. J Neural Eng. 2011; 8 (4): 046023.

Артикул Google Scholar

63.

Серена Е., Фигалло Е., Тандон Н., Канниццаро ​​С., Герехт С., Эльвассор Н. и др. Электрическая стимуляция эмбриональных стволовых клеток человека: сердечная дифференциация и генерация активных форм кислорода.Exp Cell Res. 2009. 315 (20): 3611–9.

Артикул Google Scholar

64.

Brown XQ, Ookawa K, Wong JY. Оценка полидиметилсилоксановых каркасов с физиологически значимыми модулями упругости: взаимодействие механики субстрата и химического состава поверхности на ответ гладкомышечных клеток сосудов. Биоматериалы. 2005. 26 (16): 3123–9.

Артикул Google Scholar

65.

Zhao M, Dick A, Forrester JV, McCaig CD. Подвижность клеток, управляемая электрическим полем, включает повышенную экспрессию и асимметричное перераспределение рецепторов эпидермального фактора роста и усиливается фибронектином и ламинином. Mol Biol Cell. 1999. 10 (4): 1259–76.

Артикул Google Scholar

66.

Fang KS, Ionides E, Oster G, Nuccitelli R, Isseroff RR. Релокализация рецептора эпидермального фактора роста и активность киназы необходимы для направленной миграции кератиноцитов в электрических полях постоянного тока.J Cell Sci. 1999; 112 (Pt 12): 1967–78.

Google Scholar

67.

Grahn JC, Reilly DA, Nuccitelli RL, Isseroff RR. Меланоциты не мигрируют направленно в физиологических электрических полях постоянного тока. Регенерация заживления ран. 2003. 11 (1): 64–70.

Артикул Google Scholar

68.

Cao L, Pu J, Zhao M. GSK-3beta необходим для направленной физиологического электрического поля поляризации Гольджи и оптимального электротаксиса.Cell Mol Life Sci. 2011; 68 (18): 3081–93.

Артикул Google Scholar

69.

Zhu B, Nicholls M, Gu Y, Zhang G, Zhao C, Franklin RJ, Song B. Электрические сигналы регулируют направленную миграцию клеток-предшественников олигодендроцитов (OPC) через β1-интегрин. Int J Mol Sci. 2016; 17 (11): 1948. https://doi.org/10.3390/ijms17111948. PMID: 27879672; PMCID: PMC5133942.

70.

Dong ZY, Pei Z, Li Z, Wang YL, Khan A, Meng XT.Стимуляция электрическим полем индуцировала нейрональную дифференцировку нервных клеток-предшественников, происходящих от концевой нити. Neurosci Lett. 2017; 651: 109–15.

Артикул Google Scholar

71.

Rajnicek AM, Foubister LE, McCaig CD. Выравнивание эпителиальных клеток роговицы и хрусталика за счет совместного воздействия топографии субстрата и электрических полей постоянного тока. Биоматериалы. 2008. 29 (13): 2082–95.

Артикул Google Scholar

72.

Zhao M, Bai H, Wang E, Forrester JV, McCaig CD. Электрическая стимуляция непосредственно вызывает преангиогенные ответы в эндотелиальных клетках сосудов посредством передачи сигналов через рецепторы VEGF. J Cell Sci. 2004. 117 (Pt 3): 397–405.

Google Scholar

73.

Gibson IR, McCaig CD. Соревновательные подсказки влияют на выравнивание клеток фибробластов: электрические поля против контактного наведения. Mater Res Soc Symp Proc. 2005; 845: 31–6.

Google Scholar

74.

Trollinger DR, Isseroff RR, Nuccitelli R. Блокаторы кальциевых каналов подавляют гальванотаксис в кератиноцитах человека. J. Cell Physiol. 2002; 193 (1): 1–9.

Артикул Google Scholar

75.

Nishimura KY, Isseroff RR, Nuccitelli R. Человеческие кератиноциты мигрируют к отрицательному полюсу в электрических полях постоянного тока, сравнимых с теми, которые измеряются в ранах млекопитающих. J Cell Sci. 1996; 109 (Pt 1): 199–207.

Google Scholar

76.

Chen Y, Ye L, Guan L, Fan P, Liu R, Liu H, Chen J, Zhu Y, Wei X, Liu Y, Bai H. Физиологическое электрическое поле работает через рецептор VEGF, чтобы стимулировать образование сосудистых эндотелиальных клеток в новообразованиях. в 3D-среде. Биол Открытый. 2018; 7 (9): bio035204. https://doi.org/10.1242/bio.035204. PMID: 30232195; PMCID: PMC6176943.

77.

Хан Дж, Ян XL, Хан QH, Ли Й, Чжу Дж, Хуэй Ю. Электрические поля способствуют направленной миграции пигментных эпителиальных клеток сетчатки человека через взаимодействие между F-актином и интегрином бета1.Curr Eye Res. 2009. 34 (6): 438–46.

Артикул Google Scholar

78.

Ozkucur N, Monsees TK, Perike S, Do HQ, Funk RH. Локальное повышение кальция и удлинение клеток инициируют управляемую подвижность электрически стимулированных остеобластоподобных клеток. PLoS One. 2009; 4 (7): e6131.

Артикул Google Scholar

79.

Baer ML, Henderson SC, Colello RJ. Выяснение роли электрических полей, вызванных повреждением (EF), в регулировании астроцитарной реакции на повреждение в центральной нервной системе млекопитающих.PLoS One. 2015; 10 (11): e0142740.

Артикул Google Scholar

80.

Коул Дж., Ганьон З. Микрожидкостное устройство на основе потока для пространственного количественного определения внутриклеточной активности ионов кальция во время клеточного электротаксиса. Биомикрофлюидика. 2019; 13 (6): 064107.

Артикул Google Scholar

81.

Merrill DR, Bikson M, Jefferys JG. Электрическая стимуляция возбудимой ткани: разработка эффективных и безопасных протоколов.J Neurosci Methods. 2005. 141 (2): 171–98.

Артикул Google Scholar

82.

Xiong GM, Do AT, Wang JK, Yeoh CL, Yeo KS, Choong C. Разработка миниатюрного устройства стимуляции для электростимуляции клеток. J Biol Eng. 2015; 9: 14.

Артикул Google Scholar

83.

Lalli ML, Asthagiri AR. Коллективная миграция демонстрирует большую чувствительность, но более медленную динамику выравнивания к приложенным электрическим полям.Cell Mol Bioeng. 2015; 8 (2): 247–57.

Артикул Google Scholar

84.

Линь Б.Дж., Цао Ш., Чен А., Ху СК, Чао Л., Чао П.Г. Липидные рафты воспринимают и прямую миграцию, индуцированную электрическим полем. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2017; 114 (32): 8568–73.

Артикул Google Scholar

85.

Long H, Yang G, Wang Z. Гальванотактическая миграция эндотелиальных клеток EA.Hy926 в биореакторе с электрическим полем новой конструкции.Cell Biochem Biophys. 2011; 61 (3): 481–91.

Артикул Google Scholar

86.

Nguyen HT, Sapp S, Wei C, Chow JK, Nguyen A, Coursen J, Luebben S, Chang E, Ross R, Schmidt CE. Стимуляция электрического поля с помощью биоразлагаемого полипиррол-сополикапролактонового субстрата усиливает рост нервных клеток. Журнал J Biomed Mater Res A. 2014; 102 (8): 2554-64. https://doi.org/10.1002/jbm.a.34925. Epub, 2013 г. 2 сентября. PMID: 23964001; PMCID: PMC3931748.

87.

Wang X, Gao Y, Shi H, Liu N, Zhang W, Li H. Влияние интенсивности и времени нагрузки электрического поля постоянного тока на направленную миграцию мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы. Фронт Мед (Лозанна). 2016; 10 (3): 286–96.

Артикул Google Scholar

88.

Лю М., Инь Ц., Цзя З., Ли К., Чжан З., Чжао Ю. и др. Защитный эффект умеренной стимуляции экзогенного электрического поля на активацию экспрессии Netrin-1 / DCC против механического повреждения нейронов спинного мозга, вызванного растяжением.Neurotox Res. 2018; 34 (2): 285–94.

Артикул Google Scholar

89.

Nguyen HT, Wei C, Chow JK, Nguy L, Nguyen HK, Schmidt CE. Стимуляция электрического поля через субстрат влияет на структуру шванновских клеток и внеклеточного матрикса. J Neural Eng. 2013; 10 (4): 046011.

Артикул Google Scholar

90.

Равикумар К., Кар Г., Бозе С., Басу Б. Синергетический эффект полиморфизма, проводимости субстрата и стимуляции электрического поля в направлении усиления роста мышечных клеток in vitro.RSC Adv. 2016; 6: 10837–45.

Артикул Google Scholar

91.

Хуанг Ю.Дж., Саморайски Дж., Краймер Р., Сирсон ПК. Влияние электрического поля и удержания на подвижность клеток. PLoS One. 2013; 8 (3): e59447.

Артикул Google Scholar

92.

McCaig CD, Song B, Rajnicek AM. Электрические измерения в клеточной науке. J Cell Sci. 2009; 122 (Pt 23): 4267–76.

Артикул Google Scholar

93.

Hart FX, Laird M, Riding A, Pullar CE. Гальванотаксис кератиноцитов в комбинированных электрических полях постоянного и переменного тока поддерживает электромеханический механизм восприятия трансдукции. Биоэлектромагнетизм. 2013. 34 (2): 85–94.

Артикул Google Scholar

94.

Шапиро С., Боргенс Р., Паскуцци Р., Роос К., Грофф М., Пурвинес С. и др. Стимуляция колеблющимся полем при полном повреждении спинного мозга у людей: испытание фазы 1. J Neurosurg Spine. 2005; 2 (1): 3–10.

Артикул Google Scholar

95.

Като И., Иннами К., Сакума К., Миякава Х., Иноуэ М., Аониси Т. Частотно-зависимое увлечение спонтанных переходных процессов Са в дендритные пучки пирамидных клеток СА1 в препаратах срезов гиппокампа крысы слабым электрическим полем переменного тока . Brain Res Bull. 2019; 153: 202–13.

Артикул Google Scholar

96.

Роде М., Зибарт Дж., Киршштейн Т., Селлманн Т., Порат К., Кул Ф. и др.Миграция остеобластов человека в электрических полях постоянного тока зависит от высвобождения Са (2 +) -, управляемого запасом, и коррелирует с повышающей регуляцией активированных растяжением каналов TRPM7. Фронт Bioeng Biotechnol. 2019; 7: 422.

Артикул Google Scholar

97.

Чао PH, Лу ХХ, Хунг CT, Николл С.Б., Булински Дж.С. Влияние приложенного постоянного электрического поля на миграцию фибробластов связок и заживление ран. Connect Tissue Res. 2007. 48 (4): 188–97.

Артикул Google Scholar

98.

Tandon N, Cannizzaro C, Chao PH, Maidhof R, Marsano A, Au HT и др. Системы электростимуляции для тканевой инженерии сердца. Nat Protoc. 2009. 4 (2): 155–73.

Артикул Google Scholar

99.

Li X, Kolega J. Влияние электрических полей постоянного тока на миграцию клеток и распределение актиновых филаментов в эндотелиальных клетках сосудов крупного рогатого скота. J Vasc Res. 2002. 39 (5): 391–404.

Артикул Google Scholar

100.

Lim JH, McCullen SD, Piedrahita JA, Loboa EG, Olby NJ. Электрические поля переменного тока различной частоты: влияние на пролиферацию и дифференциацию нейральных клеток-предшественников свиней. Перепрограммирование клеток. 2013; 15 (5): 405–12.

Артикул Google Scholar

101.

Маскаринек С.А., Франк К., Тиррелл Д.А., Равичандран Г. Количественная оценка сил клеточной тяги в трех измерениях. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2009; 106 (52): 22108–13.

Артикул Google Scholar

102.

Li L, He Y, Zhao M, Jiang J. Коллективная миграция клеток: последствия для заживления ран и инвазии рака. Ожоговая травма. 2013; 1 (1): 21–6.

Артикул Google Scholar

103.

Чо Й, Сон М., Чон Х, Шин Дж. Миграция, индуцированная электрическим полем, и выравнивание межклеточного стресса в коллективном эпителиальном монослое. Mol Biol Cell.2018. 29 (19): 2292–302.

Артикул Google Scholar

104.

Хуанг Л., Корми П., Мессерли М.А., Робинсон К.Р. Участие Ca2 + и интегринов в направленных ответах кератоцитов рыбок данио на электрические поля. J. Cell Physiol. 2009. 219 (1): 162–72.

Артикул Google Scholar

105.

Gao RC, Zhang XD, Sun YH, Kamimura Y, Mogilner A, Devreotes PN, et al.Различные роли мембранных потенциалов в электротаксисе и хемотаксисе клеток диктиостелия. Эукариотическая клетка. 2011; 10 (9): 1251–6.

Артикул Google Scholar

106.

Sun Y, Do H, Gao J, Zhao R, Zhao M, Mogilner A. Фрагменты и клетки кератоцитов используют конкурирующие пути для движения в противоположных направлениях в электрическом поле. Curr Biol. 2013. 23 (7): 569–74.

Артикул Google Scholar

107.

Аллен GM, Могильнер А, Териот Дж. Электрофорез компонентов клеточной мембраны создает направленный сигнал, определяющий гальванотаксис кератоцитов. Curr Biol. 2013. 23 (7): 560–8.

Артикул Google Scholar

108.

Zhu K, Takada Y, Nakajima K, Sun Y, Jiang J, Zhang Y, et al. Экспрессия интегринов для контроля направления миграции электротаксиса. FASEB J. 2019; 33 (8): 9131–41.

Артикул Google Scholar

109.

Mousavi SJ, Doweidar MH, Doblare M. Вычислительное 3D-моделирование миграции клеток: подход механо-химио-термо-электротаксиса. J Theor Biol. 2013; 329: 64–73.

МАТЕМАТИКА Статья Google Scholar

110.

Zhao Z, Qin L, Reid B, Pu J, Hara T, Zhao M. Направление миграции эндотелиальных клеток-предшественников с помощью приложенных электрических полей постоянного тока. Stem Cell Res. 2012. 8 (1): 38–48.

Артикул Google Scholar

111.

Cunha F, Rajnicek AM, McCaig CD. Электрическая стимуляция направляет миграцию, усиливает и ориентирует клеточное деление и активирует хемокиновые рецепторы CXCR4 и CXCR2 в эндотелиальных клетках. J Vasc Res. 2019; 56 (1): 39–53.

Артикул Google Scholar

112.

Li Y, Li X, Zhao R, Wang C, Qiu F, Sun B и др. Повышенная адгезия и пролиферация эндотелиальных клеток пупочной вены человека на проводящем волокнистом каркасе PANI-PCL за счет электрической стимуляции.Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2017; 72: 106–12.

Артикул Google Scholar

113.

Wang Y, Cui H, Wu Z, Wu N, Wang Z, Chen X и др. Модуляция остеогенеза в клетках MC3T3-E1 с помощью электростимуляции различной частоты. PLoS One. 2016; 11 (5): e0154924.

Артикул Google Scholar

114.

Кобельт Л.Дж., Уилкинсон А.Э., Маккормик А.М., Уиллитс Р.К., Лейпциг, Северная Дакота.Кратковременная электрическая стимуляция для усиления роста нейритов и созревания взрослых нервных стволовых клеток-предшественников. Энн Биомед Eng. 2014. 42 (10): 2164–76.

Артикул Google Scholar

115.

Hoare JI, Rajnicek AM, McCaig CD, Barker RN, Wilson HM. Электрические поля являются новыми детерминантами функций макрофагов человека. J Leukoc Biol. 2016; 99 (6): 1141–51.

Артикул Google Scholar

116.

Арнольд С.Э., Райничек А.М., Хоар Дж. И., Покхарел С. М., МакКейг С. Д., Баркер Р. Н. и др. Электрические поля физиологической силы модулируют активацию и поляризацию Т-клеток человека. Научный доклад 2019; 9 (1): 17604.

Артикул Google Scholar

117.

Zhao Z, Watt C, Karystinou A, Roelofs AJ, McCaig CD, Gibson IR, et al. Направленная миграция мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека в физиологическом электрическом поле постоянного тока. Eur Cell Mater.2011; 22: 344–58.

Артикул Google Scholar

118.

Sun S, Liu Y, Lipsky S, Cho M. Физические манипуляции с колебаниями кальция облегчают остеодифференцировку мезенхимальных стволовых клеток человека. FASEB J. 2007; 21 (7): 1472–80.

Артикул Google Scholar

119.

Mobini S, Leppik L, Barker JH. Камера электростимуляции постоянного тока для обработки клеток in vitro.Биотехники. 2016; 60 (2): 95–8.

Артикул Google Scholar

120.

Hammerick KE, James AW, Huang Z, Prinz FB, Longaker MT. Импульсные электрические поля постоянного тока усиливают остеогенез в стромальных клетках, полученных из жировой ткани. Tissue Eng Часть A. 2010; 16 (3): 917–31.

Артикул Google Scholar

121.

Хроник-Тупай М., Райс В.Л., Кронин-Голомб М., Каплан Д.Л., Георгакуди И.Остеобластическая дифференцировка и стрессовая реакция мезенхимальных стволовых клеток человека на воздействие электрических полей переменного тока. Биомед Рус Онлайн. 2011; 10: 9.

Артикул Google Scholar

122.

Ким И.С., Сон Дж. К., Сон Ю. М., Чо ТХ, Ли Т.Х., Лим С.С. и др. Новое влияние двухфазного электрического тока на остеогенез in vitro и продукцию цитокинов в мезенхимальных стромальных клетках человека. Tissue Eng Part A. 2009; 15 (9): 2411–22.

Артикул Google Scholar

123.

Creecy CM, O’Neill CF, Arulanandam BP, Sylvia VL, Navara CS, Bizios R. Остеодифференцировка мезенхимальных стволовых клеток в ответ на переменный электрический ток. Tissue Eng Part A. 2013; 19 (3–4): 467–74.

Артикул Google Scholar

124.

McCullen SD, McQuilling JP, Grossfeld RM, Lubischer JL, Clarke LI, Loboa EG. Применение низкочастотных электрических полей переменного тока через встречно-штыревые электроды: влияние на жизнеспособность клеток, цитоплазматический кальций и остеогенную дифференцировку стволовых клеток, полученных из жировой ткани человека.Tissue Eng Часть C Методы. 2010. 16 (6): 1377–86.

Артикул Google Scholar

125.

Mardani M, Roshankhah S, Hashemibeni B, Salahshoor M, Naghsh E, Esfandiari E. Индукция хондрогенной дифференцировки стволовых клеток, полученных из жировой ткани человека, с помощью низкочастотного электрического поля. Adv Biomed Res. 2016; 5: 97.

Артикул Google Scholar

126.

Эсфандиари Э., Рошанхах С., Мардани М., Хашемибени Б., Нагш Э., Каземи М. и др.Влияние высокочастотного электрического поля на усиление хондрогенеза в стволовых клетках человека, полученных из жировой ткани. Иран Дж. Базовая медицина. 2014. 17 (8): 571–6.

Google Scholar

127.

Matos MA, Cicerone MT. Влияние электрического поля переменного тока на жизнеспособность и дифференцировку нервных стволовых клеток. Biotechnol Prog. 2010. 26 (3): 664–70.

Артикул Google Scholar

128.

Моримото Т., Ясухара Т., Камеда М., Баба Т., Курамото С., Кондо А. и др. Стимуляция полосатого тела способствует развитию эндогенного нейрогенеза и ангиогенеза у крыс с хронической фазой ишемического инсульта. Трансплантация клеток. 2011. 20 (7): 1049–64.

Артикул Google Scholar

129.

Feng JF, Liu J, Zhang L, Jiang JY, Russell M, Lyeth BG, et al. Электрическое наведение стволовых клеток человека в головном мозге крысы. Отчеты о стволовых клетках. 2017; 9 (1): 177–89.

Артикул Google Scholar

130.

Li S, Lu D, Tang J, Min J, Hu M, Li Y и др. Электростимуляция активирует фибробласты за счет увеличения внутриклеточного свободного Ca (2+): потенциальный механизм терапии электростимуляцией тазовых органов. Biomed Res Int. 2019; 2019: 7387803.

Google Scholar

131.

Дэн И, Дун И, Лю И, Чжан Кью, Гуань Х, Чен Х и др. Систематический обзор клинических исследований электростимулирующей терапии у пациентов с нейрогенной дисфункцией кишечника после травмы спинного мозга.Медицина (Балтимор). 2018; 97 (41): e12778.

Артикул Google Scholar

132.

Zheng X, Chen D, Yan T, Jin D, Zhuang Z, Tan Z и др. Рандомизированное клиническое испытание функциональной электростимуляции, имитирующей походку, способствует восстановлению моторики и ремоделированию мозга при остром инсульте. Behav Neurol. 2018; 2018: 8923520.

Артикул Google Scholar

133.

Миура Г., Сугавара Т., Кавасаки Ю., Тацуми Т., Низава Т., Баба Т. и др.Клиническое испытание для оценки безопасности и эффективности трансдермальной электростимуляции на зрительные функции пациентов с пигментным ретинитом. Научный доклад 2019; 9 (1): 11668.

Артикул Google Scholar

Электрическое поле внутри цепей: ElectricalEngineering

Привет EEs of reddit! В настоящее время я нахожусь в курсе схем и сигналов, в котором я преуспеваю; однако у меня накопилось интуитивное ощущение, что я не смог рассуждать дальше определенного момента.Возможно, нижеследующее — это скорее серия вопросов по физике, но ведь основы важны, верно? На уроках физики электричества и магнетизма, которые я посещал (AP C в средней школе и Physics 2 в колледже), для меня произошел довольно быстрый переход от закона Кулона / закона Гаусса к анализу схем. В обеих этих ситуациях, скажем, несколько свободных точечных зарядов по сравнению с простой схемой источника напряжения и резистора, например, обсуждаются падения напряжения. Уравнение потенциальной энергии -kQq / r в основном интуитивно понятно, особенно с гравитационной аналогией PE (-GMm / r).Однако я не понимаю, что касается схем:

1. Как может быть «электрическое поле через провод» …

а. … если электроны внутри проводника … только в статических ситуациях, когда E = 0 внутри проводника?

г. Является ли электрическое поле в проводе статистическим обобщением всех электрических полей kq / r ² между отдельными
электронами? Я слышал, как люди говорят, что электроны «хотят» идти определенным путем, где есть больший потенциал, но
это больше похоже на инструмент запоминания, чем на объяснение.

г. Если b истинно, является ли электрическое поле в проводе эффективным для цепной реакции , например (1) выхода электрона из области
на проводе рядом с катодом батареи, затем (2) заполнение этого отверстия другими электронами дальше и дальше на
вдоль провода от катода много-много раз, а затем (3) уход электрона с анода батареи
на соседнюю область на проводе?

2. Если электроны движутся со скоростью сантиметров в час, почему скорость распространения сигнала сродни скорости света? Я слышал аналогию с Колыбелью Ньютона для различения сигнала в зависимости от скорости электронов, но почему так быстро?

3.Есть ли более упрощенное объяснение того, почему есть знаки на U и V и чему они соответствуют, вместо того, чтобы проводить кучу вычислений с зарядами определенных знаков и просто видеть, что математика работает? Я думал об электроне, желающем перейти от отрицательного к положительному потенциалу, который подобен тому, как если бы электрон находился между двумя фиксированными противоположными зарядами на одной линии (в этом случае отрицательный заряд оттолкнет электрон от себя и положительный заряд притянет электрон к себе), но это просто делает ответ правильным.

Я надеюсь, что кто-нибудь сможет дать полезную информацию об этих концепциях! <3

ECE — Что такое электротехника | Инженерный колледж

Следующий текст представляет собой слегка измененную версию доктора Карен Сен-Жермен документа, первоначально подготовленного профессором Ю Чанг, факультет электротехники, Юнион-колледж, Скенектади, штат Нью-Йорк. Оригинальная версия текста от 14 сентября 1987 г. Последнее обновление: 8/2011.

Электротехника — чрезвычайно интересная область деятельности.Инженеры-электрики работают с сигналом на частотах от нуля до оптического диапазона, используя такие инструменты, как компьютеры, продвинутая математика и кусачки. Инженеры-электрики — мыслители и деятели. Строго говоря, электротехника — это не просто одна область, а совокупность многих областей, объединенных в одну единую дисциплину. Это, безусловно, самая динамичная и разнообразная из всех областей инженерии. Лучший способ узнать, что такое электротехника, — это посмотреть, что делают инженеры-электрики, и сформулировать свое собственное определение.Я всегда считал, что инженеры-электрики могут все.

В следующих абзацах я попытаюсь перечислить некоторые из основных областей электротехники, с моей точки зрения. Порядок появления не имеет значения, а группировка основных полей произвольна. Сегодня такая группировка кажется разумной. Через несколько лет могут появиться новые поля, и моя нынешняя группировка может выглядеть очень странно. Прочитав следующие параграфы, вы можете подумать, что специализация на ранней стадии — лучший способ.Стой! Подумай еще раз. Если все области электротехники быстро меняются, то к тому времени, когда вы закончите учебу, то, что популярно сегодня, вполне может устареть! На мой взгляд, лучший способ сделать это — не специализироваться рано. Имейте широкое основание, как у пирамиды, и тогда вы сможете подняться высоко. Пройдите курсы, которые укрепят ваш фундамент, например, хорошие солидные курсы по математике, физике, инженерному делу, материаловедению и информатике. И снова добро пожаловать в Электротехнику! Наслаждайтесь этим и получайте удовольствие от жизни!

Мощность
Фотография слева принадлежит Управлению гидроэнергетики Британской Колумбии.Сфера электроэнергетики в первую очередь связана с производством и распределением электроэнергии. Энергетический кризис и экологические проблемы вызывают волнение у энергетиков и заставляют их разрабатывать новые источники энергии. Есть возможности в исследованиях и разработках передачи высокого напряжения, а также в производстве и обслуживании силового оборудования, такого как машины, приводы, реле и преобразователи. Ожидается, что быстрое развитие исследований в области высокотемпературных сверхпроводящих материалов окажет большое влияние на энергетику.Коммунальные предприятия, федеральное правительство и правительство штатов являются основными источниками занятости. Среди множества захватывающих областей энергетической отрасли особенно интересны следующие четыре:

1. Энергия: упор делается на поиск новых источников энергии
2. Передача: Акцент делается на поиске более эффективного способа передачи электроэнергии
3. Силовая электроника: основное внимание уделяется разработке новых электронных устройств и / или схем для управления машинами и / или потоком энергии.
4. Вычислительные исследования наиболее эффективного использования

Чтобы подготовиться к этой области, вам следует попробовать пройти несколько курсов по анализу энергосистем, машин, теории схем, электроники, микропроцессоров и пару курсов по информатике.

Коммуникационные системы
Каждый раз, когда вы разговариваете по телефону, вы используете продукты индустрии связи. Ваш голос преобразуется в электрические сигналы и передается в виде «битов» в другое место с помощью металлических кабелей, оптических проводов или спутниковой связи. Каждый раз, когда вы смотрите CSI, Grey’s Anatomy или Super Bowl, вы снова используете кабели и спутники! Область систем связи занимается поиском наилучшего способа передачи и приема сигналов.Голос, изображение и компьютерные данные являются типичными сигналами.

Существуют сложные возможности в области космической и спутниковой связи, оптической связи, анализа сигналов, цифровой обработки сигналов, передачи данных и других смежных областях. Системы связи — это большая область, а спутниковая связь уже стала реальностью.

AT&T, IBM, DEC, GE, федеральное правительство и многие оборонные подрядчики очень заинтересованы в людях с большим опытом в области связи и обработки сигналов.Революция СБИС в электронике вызвала значительный рост во многих областях систем связи; следующие три заслуживают особого внимания:

1. Обмен данными: акцент делается на эффективном перемещении больших объемов компьютерных данных
2. Цифровая обработка сигналов: акцент делается на преобразовании сигналов в цифровую форму и их обработке с помощью цифровых систем для получения желаемого результата.
3. Материалы для высокочастотных транзисторов и волоконно-оптической связи; лазеры, оптические усилители, детекторы и переключатели

Чтобы иметь хороший фон, рекомендуется пройти несколько курсов по высшей математике, теории систем, связи, микропроцессорам, вероятностным системам и пару курсов по информатике.

Системы управления
Каждый раз, когда вы водите машину, вы используете теорию управления с обратной связью. На самом деле вождение автомобиля — чрезвычайно сложная система управления. Ваши глаза видят препятствие на дороге; информация передается в мозг для обработки, а новая информация, позволяющая избежать препятствия, затем отправляется рукам и рукам для поворота рулевого колеса. Тот же принцип используется в навигации и наведении ракет, ракет, космических аппаратов и игрушек. Если вы интересуетесь робототехникой, это то, с чего стоит начать.

Существует множество возможностей в области робототехники, навигации и управления, управления процессами и автоматизации на различных промышленных предприятиях, а также в многочисленных военных и космических приложениях. Некоторые аспекты теории управления также используются в нетехнических областях, таких как бизнес и социальные науки. Ожидается, что в ближайшие годы существенно вырастут две области систем управления:

1. Цифровое управление: упор делается на цифровую реализацию систем управления
2. Робототехника: упор делается на создание интеллектуальных роботов

Основными работодателями являются федеральное правительство, оборонные подрядчики, автомобильные, химические и сталелитейные компании, а также компьютерные компании.

Если вас интересует эта область, вам следует пройти курсы углубленной математики, теории управления, вероятностных систем, цифровой обработки сигналов, микропроцессоров, а также несколько курсов по информатике, таких как искусственный интеллект, компьютерная графика, операционные системы и т. Д.

Электроника
Сфера электроники все еще находится в процессе революции. Раньше электроника была предметом, который включал в себя физику и электрические схемы электронных ламп. С момента изобретения транзистора многое изменилось.За исключением приложений с высокой мощностью и / или высокой частотой, вакуумная лампа используется редко. В приложениях с низким энергопотреблением электронные схемы являются не только полностью твердотельными, но и интегрированными. Операционный усилитель быстро становится основным строительным блоком для аналоговых схем, а очень большая системная интеграция или СБИС является продуктом последней революции в разработке интегральных схем. СБИС становится основным строительным блоком для цифровой и / или компьютерной электроники. Индивидуальные микросхемы обработки сигналов СБИС используются для улучшения машинного зрения.Революция в электронике сделала высокие технологии доступными. Контрольно-измерительные приборы с микропроцессорным управлением — это уже реальность. Огромное внимание уделяется четырем областям электроники:

1. Компьютерная электроника: упор делается на компьютерную электронику
2. Коммуникационная электроника: упор делается на физическую реализацию коммуникационной системы
3. Электронные материалы: новые материалы и новые транзисторы атомных размеров и элементы схем.Новые способы обработки материалов с нанометровыми масштабами
4. Компьютерный анализ и дизайн: проектирование фильтров и методы оптимизации

Как разумно использовать электронику в других областях техники — это благодатная почва для проверки своих творческих способностей и воображения. Есть много возможностей во всех отраслях промышленности.

Граница между устройством и схемой значительно стерлась с момента появления интегральных схем. Каждому разработчику схем важно знать что-то о том, как работают устройства.Я настоятельно рекомендую вам пройти хотя бы один курс теории устройств, даже если вы хотите быть только схемотехником, а не инженером по устройствам. Вы также должны пройти широкий спектр курсов по связи, управлению, аналоговой электронике, микропроцессорам, СБИС и т. Д.

Электромагнетизм
Антенна в форме кроличьего уха на вашем телевизоре, тарелочная антенна для спутниковой связи, радары дистанционного зондирования, микроволновые и оптические каналы связи относятся к области инженерной электромагнетизма.Информационные электромагнитные волны передаются и принимаются антеннами. Анализ и проектирование антенн и антенных систем — лишь одна из многих увлекательных областей электромагнетизма. Еще одна область, которой уделяется большое внимание, — это дистанционное зондирование. Радары дистанционного зондирования широко используются при идентификации целей, геологических изысканиях и прогнозировании погоды. Основной принцип работы радара — узнать что-либо об объекте, не касаясь его физически.Как ты это делаешь? Итак, вы посылаете объекту электромагнитный сигнал, и вы можете узнать много интересного об объекте, анализируя возвращенный сигнал. Изучать, как объект рассеивает электромагнитные волны, — очень сложная и полезная работа. Сегодня электромагнитные волны в виде лазерных лучей используются для печати страницы, которую вы читаете, и записи и воспроизведения компакт-дисков, которые вы слушаете. Вам было интересно, как это достигается? Электротехника даст ответы.

До сих пор мы говорили об электромагнетизме на системном уровне. Также очень важно иметь твердое представление об электромагнетизме на уровне схемы и / или устройства. Например, всякий раз, когда вы хотите разработать высокочастотный усилитель, вы должны учитывать влияние бегущих волн. При определенных обстоятельствах кусок медного провода может вести себя как разомкнутая цепь, короткое замыкание, индуктор, конденсатор или комбинация вещей.

Для разработки новых машин и улучшения существующих важно знать, как магнитные поля распределяются в проводящей структуре.Поиск простого и эффективного способа вычисления магнитных полей в сложной структуре всегда является сложной задачей.

Компьютеры и другое электронное оборудование могут не работать в шумной электромагнитной среде. Изучение электромагнитных помех является предметом другой области специализации, называемой электромагнитной совместимостью. Это предполагает междисциплинарные решения. Например, материаловеды могут помочь построить более эффективные щиты.

В электромагнетизме есть много интересных областей.Ниже приводится примерный список из трех областей:

1. Излучение и рассеяние: основное внимание уделяется анализу антенных решеток и радиолокационных сечений
2. Электрооптика: упор делается на развитие оптических устройств и интегрированной оптики.
3. Дистанционное зондирование: упор делается на разработку радаров специального назначения

Если вы интересуетесь электромагнетизмом, получите хорошие знания в области продвинутой математики и численных методов. .