Электрическое поле и его характеристики

 

У многих возникают вопросы, что же именно представляет собой электрическое поле? В чём разница между электрическим полем и полем электромагнитным? И самый главный вопрос, как поле может влиять на окружающие предметы и человека, и как можно измерить силу этого воздействия?

Вопросов много для одного понятия, поэтому нужно во всём последовательно разобраться. Для этого лучше всего строго разделить все понятия, что к чему относится.

Электрическое и электромагнитное поле

В первую очередь, стоит заметить, что нельзя путать эти два понятия, несмотря на то, что они немного схожи. В природе существует электрические и магнитные поля, взаимодействующие между собой и, при определённых условиях могут порождающие друг друга.

Электромагнитное поле – это итог взаимодействия электрического и магнитного полей, фундаментальное физическое поле, которое возникает вокруг заряженных тел. Таким образом, электрическое поле – это часть поля электромагнитного, которое в свою очередь порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Это не что иное, как возмущения электромагнитного поля.

Электрическое поле

Как уже было сказано ранее, электрическое поле – это часть фундаментального электромагнитного поля, это особый вид материи, который существует вокруг заряженных тел или частиц.

Оно может существовать и в свободном виде, когда происходят изменения магнитного поля, так как они напрямую зависят друг от друга и взаимодействуют между собой. Примером такого изменения могут быть электромагнитные волны.

Итак, электрическое поле возникает в пространстве вокруг заряженных тел и представляет собой вид материи, невидимой для обычного зрения человека. Но и его можно зафиксировать и измерить, благодаря тем характеристикам, которыми оно обладает.

На находящиеся в поле тела постоянно действуют электрические силы, они определяют запас энергии, которым обладает данное электрическое поле. На схемах электрическое поле изображают в виде непрерывных силовых линий – это традиционное представление, которое принято во всём мире.

Силовые линии не являются вымыслом, они фактически существуют на самом деле. Если в электрическое поле поместить частички гипса, предварительно взвешенные в масле, то они будут поворачиваться вдоль линий, так можно определить направление.

Напряжённость электрического поля

Электрическое поле можно измерить. В качестве количественного показателя вводится такое понятие, как напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика. Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри его с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Другими словами, напряжённость – это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда. В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность»

Электрический потенциал

У электрического поля можно измерить различные количественные характеристики, можно определить его интенсивность и силу воздействия. По этим показателям можно судить о том воздействии, которое оно может оказывать на тела и на человека.

Но у электрического поля есть и другая характеристика, которую можно назвать запасом энергии. Этот запас энергии является способностью электрического поля совершать работу.

Что же именно подразумевается под этим? Энергию можно накопить, для этого, например, можно сжать или растянуть пружину, при этом пружина будет совершать определённую работу за счёт той энергии, которая появляется в ней.

Точно также обстоит дело и с электрическим полем. Стоит только внести в него заряженное тело или частицу, то сразу высвобождается запас энергии. Заряд начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу. Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты.

Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда.

При рассмотрении понятия электрического потенциала можно говорить и о разности потенциалов. Можно представить себе человека, который поднимается по лестнице. Чтобы ему подняться на десятый этаж, ему понадобится больше энергии, чем для того, чтобы подняться на седьмой.

Так и в электрическом поле, чем дальше нужно переместить заряд, тем большую энергию нужно затратить.

В общих словах, электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Кстати, в некоторых частных случаях, когда изменения электрического и магнитного полей не происходит, электрический потенциал называется электростатическим. Это более упрощённый случай, и напряжённость высчитывается по более простой формуле.

Электрическое напряжение

Рассмотрев понятие электрического потенциала, можно переходить к ещё одной характеристике электрического поля – напряжению. Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов.

Разница потенциалов, как правило, гораздо важней, так как чаще приходится иметь дело именно с этой характеристикой. При перемещении заряда в поле, потенциал определяет ту работу, которая совершается при этом.

Таким образом, напряжение определяется отношением работы электрического поля A к величине заряда q, который перемещается в нём. Если вспомнить пример с человеком, который поднимается по лестнице, то в этом случае нас мало интересуют конкретные высоты каждого этажа, на который ему нужно подняться. Нам гораздо важней именно то расстояние, которое нужно пройти, разница между ними.

Т. е., это и есть разница потенциалов, если ввести ещё и понятие груза, который нужно поднять на верхний этаж, можно понять, что значит напряжение.

Между двумя точками электрического поля существует разница потенциалов и возникает напряжение. Оно характеризует тот запас энергии, который может высвободиться при перемещении заряда между этими двумя точками внутри рассматриваемого электрического поля.

Все характеристики электрического поля зависят друг от друга, каждую их них можно определить, если известны другие. Напряжение – один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Электрическое поле в природе и в быту

Электрические поля встречаются повсеместно, мы буквально окружены ими. Как правило, оно неразрывны с магнитными полями, образуя единые электромагнитные поля. Они возникают вокруг любого заряженного тела. Как пример – его можно получить, потерев обычную шариковую ручку о волосы.

Возле экранов телевизоров с электронно-лучевой трубкой или таких же мониторов компьютера, также возникает электрическое поле. Его можно даже почувствовать, стоит лишь поднести руку, и волосы начнут притягиваться. И таких примеров можно найти очень много.

Основные параметры электрического поля

Электрическое поле – это пространство где проявляется действие электрических сил. Графически электрическое поле можно изобразить электрическими силовыми линиями.

Силовые линии электрического поля

Основная единица электрического заряда один кулон q – 1кл.

1кл = 6,3 × 1018 электронов.

Заряды, имеющие одноимённое значение отталкиваются, а разноименные притягиваются. В радиотехнике применяются поля ускоряющие и тормозящие.

Параметры электрического поля

Потенциал – φ – это отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.

φ =

A q

=

1Дж 1кл

= 1B

Основная единица потенциала ровна 1в.

Разность потенциалов между двумя точками называется напряжение.

• U – напряжение
• φ1 – φ2 = U
• U = 1в

• 1в = 103мв = 106мкв
• 1кв = 103в

Разность потенциалов бывает между одноимёнными зарядами и разноимёнными.

φ1 = 10ед

φ2 = 3ед φ3 = –7ед

φ = 0

• φ1 – φ 2 = +10 – (+3) = +7ед
• φ2 – φ 1 = 3 – (+10) = –7ед
• φ1 – φ 3 = 10 – (–7) = 17ед

На управляющей сетке U относительно катода имеет отрицательный знак, так как напряжение на сетке меньше, а 25в чем на катоде.

Напряженность электрического поля

 

 

 

Напряжённость – это отношение силы, с которой электрическое поле действует на заряд к величине этого заряда.

• Если E ровняется cons+ то поле называется однородное.
• Если E ровно не cons+ то поле называется не однородное.

Закон Кулона – сила взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорционально произведению этих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой происходит взаимодействие.

• F – сила взаимодействия (H)
• q1 – q2 – заряды (K)
• r – расстояние (M)
• ε – диэлектрическая проницаемость вещества

что это, свойства и характеристики

Когда мы рождаемся и начинаем изучать мир, то все приучаемся делать руками и ногами. То есть это наш метод контакта со средой — прямой и непосредственный. Берем предметы, открываем двери, наводим порядок, преодолеваем препятствия. Разумеется, того же самого ожидаем обычно и от всего окружающего. А если заметим, как нечто воздействует на что-то другое на расстоянии, то обычно можем представить некие ниточки, невидимые, но которые могут тянуть и передвигать предметы. Как это делают фокусники в каких-то своих трюках.

Электрическое поле

Невидимые ниточки действуют на зрителей магически, и все неизвестные взаимодействия легче и нагляднее всего нарисовать именно в виде таких тонких ниточек. Рисуют обычно на бумаге, а так как ниточки могут уходить довольно далеко, сразу представляешь широкое бумажном поле. И, кстати, сама природа в этом иногда помогает. Потому что магнитные опилки, насыпанные на бумажное «поле», сразу сами «в затылок друг другу» и выстраиваются ниточками, стоит только поднести магнит к листу с нижней стороны. И вот уже видим на бумажном поле нерукотворный рисунок поля магнитного. Красота и восхищение любого мальчишки, который первый раз увидел такие ожившие железные опилки.

Действие магнита Действие магнита

С действием магнита люди познакомились уже давно. А вот чтобы понять основные свойства электрического поля, надо было придумать еще и его носителей. Что такое электрическое поле, если сделать картинку, как с магнитами и опилками, нельзя. Нет таких опилок, и электрические заряды не так удобны в обращении, как твердые магниты: стоит только чуть приблизить друг к другу два разноименно зараженных тела, как происходит разряд, и весь эксперимент закончится на самом интересном месте. Поэтому додумались нарисовать электрический  единичный заряд, вокруг которого электрическое поле создается. Он похож на одинокий полюс магнита, поле действует в любом направлении, и сила электрического поля, им созданного, убывает с расстоянием. А где-то в бесконечном отдалении от него рисуется и второй полюс, в котором те же самые линии должны сходиться.

Взаимодействие

Это прямо следует из опытов, которые проводили первооткрыватели электрических явлений и законов. И ведь измерить тогда, не зная ни законов, ни формул, можно было мало что. Только расстояния между зарядами и силу их взаимодействия на шкале по отклонению крутильных весов при воздействии их друг на друга. Ну и относительную величину заряда. Скорее всего, один заряд был основной, другой — пробный.

И поле, окружавшее основной заряд, изучалось в разных точках с помощью этого пробного заряда.

Если основное тело зарядить больше, то и поле станет сильнее, и это можно замерить на крутильных весах. То есть металлический шарик, который был «пробным» зарядом, играл роль заряженной частицы, поведение которой в поле основного заряда и изучалось.

Измерения позволили связать несколько величин, характеризующих электрическое взаимодействие, формулами.

Закон Кулона

Закон воздействия друг на друга электрических зарядов оказался подобен гениальному закону всемирного притяжения Ньютона.

Формула закона Кулона

Только массы надо заменить на величины электрических зарядов, а вместо гравитационной постоянной поставить коэффициент k. Знак зарядов внес тоже своеобразие. Если всемирное тяготение всегда только притягивает тела друг к другу, то электрические заряды могут как притягиваться друг к другу (разноименные), так и отталкиваться друг от друга (одноименные).

Формула

Если факт притяжения или отталкивания определять в формуле знаками зарядов (+ или — ), то F положительное будет означать отталкивание зарядов, а F отрицательное — притяжение.

Напряженность электростатического поля

Электростатическое поле — это поле неподвижных электрических зарядов. Или зарядов, движущихся с настолько малыми скоростями, что можно пренебречь силами, дополнительно возникающими при перемещении зарядов в электрическом поле.

Для изучения электростатического поля удобна векторная форма закона Кулона.

Векторная форма закона Кулона

Главной характеристикой электростатического поля является величина напряженности поля. Как и кулоновская сила, это величина векторная, и определяется силой, действующей на пробный заряд q.

Формула величины напряженности поля

Как видим, это действительно характеристика поля, которая дает полное определение электрического поля, создаваемого зарядами, хотя нет привязки ни к зарядам, породившим поле, ни к расстояниям между зарядами. А разделив силу Кулона на величину пробного заряда q, мы нормировали напряженность, освободили ее и от самого этого пробного заряда. Теперь это просто векторная характеристика некоторого поля в пространстве, имеющая в каждой точке величину и направление. Удобнее всего электрическое поле и его свойства представляются наглядно силовыми линиями, касательные к которым в каждой точке и дают вектор напряженности, а величина напряженности (модуль вектора напряженности) изображается густотой этих линий. И мы видим, что вблизи заряда густота линий больше, следовательно, и напряженность поля около заряда высокая, а по мере увеличения расстояния от заряда напряженность поля падает, что видно и по уменьшению густоты силовых линий — они расходятся.  

Векторная характеристика поля

Простая картина получается, когда величина пробного заряда, которым исследуется поле, не влияет на карту напряженности поля от исследуемого заряженного тела. А это будет только тогда, когда пробный заряд значительно меньше заряда тела. Если же внести в поле одного заряженного тела другое заряженное тело, их взаимодействие способно создать новые картины силовых линий.

Когда знаки двух зарядов разные, то поле становится полем притяжения зарядов Когда знаки зарядов одинаковые, то это поле отталкивания

Силовые линии можно получить, если двигать пробный заряд внутри такого поля из двух зарядов и измерять кулоновскую силу, которая действует на пробный заряд в каждой точке. Только в каждой точке он будет испытывать влияние не одного, а двух источников поля. В этом случае и кулоновская сила, действующая на пробный заряд в каждой точке, и напряженность поля, станут векторными суммами полей от обоих источников.

Здесь изображено поведение отрицательного пробного заряда, внесенного в электрические поля двух положительных зарядов («поле отталкивания»). Притяжение он испытывает от обоих зарядов — он же отрицательный, а они положительные. Попав на их «границу влияния», он должен двинуться далее по равноденствующей этих двух сил. То есть по касательной к силовой линии в точке, где оказался. И он, если ему позволить, возьмет направление «не вашим — не нашим», а потом остановится точно между двумя этими зарядами. Но долго там пробудет вряд ли, потому что любое легкое дуновение выведет его из равновесия, и он упадет все-таки на один из зарядов. 

Полю присущ принцип суперпозиции. Он гласит, что суммарное электростатическое поле от нескольких заряженных тел (источников поля) является суперпозицией (суммой) полей от составляющих его зарядов, а напряженность такого поля в каждой его точке равна векторной сумме напряженностей полей от всех источников.

Суммарное поле зарядов

Суммарное поле зарядов, размещенных некоторым образом в пространстве, и является суперпозицией полей. Пример такого результирующего поля — две помещенные на некотором расстоянии друг от друга разноименно заряженные плоские пластины, заряд на которых распределен равномерно по поверхности. Как видим, направление почти всех линий, кроме крайних, одно — перпедикулярно поверхностям.

Похожие статьи:

Конспект лекции «Электрическое поле и его характеристики»

Просмотр содержимого документа
«Конспект лекции «Электрическое поле и его характеристики»»

Электрическое поле и его характеристики

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля. Каждый заряд создаёт в окружающем пространстве электрическое поле, которое воздействует на другие заряды.

Электрическое поле – вид материи, осуществляющий взаимодействие неподвижных электрических зарядов.

Характеристики электрического поля.

а) Напряжённость электрического поля величина, равная силе, действующей на единичный положительный заряд со стороны электрического поля.

б) Индукция электрического поля – величина, не зависящая от свойств среды и определяемая соотношением

в) Потенциал электрического поля – величина, равная потенциальной энергии единичного положительного заряда в данной точке.

Для точечного заряда:

а) Напряжённость

б) Индукция

в) Потенциал

Разность потенциалов между двумя точками _{– величина, равная работе по перемещению единичного положительного заряда между этими точками.}

Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: напряжённость электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:

.

Силовая линия электрического поля – линия, касательная к которой в любой точке совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля.

Эквипотенциальные поверхности – поверхности одинакового потенциала.

5. Что такое электрическое поле? Назовите основные характеристики электрического поля.

6. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей.

7. Что называется силовыми линиями электрического поля?

8. Что называется эквипотенциальной поверхностью?

Характеристики электростатического поля. Напряженность.

Как упоминалось в предыдущем разделе, вокруг всякого заряженного тела существует электрическое поле, которое является носителем взаимодействия зарядов. Если поле создано неподвижными зарядами, то оно называется электростатическим, т.е. его свойства в каждой точке пространства не зависят от времени. Чтобы сравнить поля, создаваемые разными зарядами, введем характеристику, называемую напряженностью E. Напряженность определяет степень взаимодействия зарядов и поэтому ее можно назвать силовой характеристикой поля.

Исследовать поля, создаваемые разными зарядами, можно с помощью пробных (единичных) зарядов.
Напряженностью электрического поля в данной точке пространства называется величина, равная отношению силы F, действующей на единичный положительный заряд q, помещенный в данную точку, к величине этого заряда.
E = F/q.
(E = F при q = 1).

Для взаимодействия точечных зарядов справедлив закон Кулона. Следовательно,
 E = F/q = Q/(4pee0r2)*r/r,

где Q — заряд, создающий поле,
e — диэлектрическая проницаемость среды.

Пробным зарядом называется тело, величина заряда которого настолько мала, что не искажает свойства исследуемого поля. Его величина равняется минимальному заряду, обнаруженному в природе, q = 1.6*10-19 Кл.
Единицы измерения напряженности с системе СИ [E]: 1 В/м = 1 Дж/(м*Кл) = 1 Н/м.

Поскольку сила и напряженность поля — есть пропорциональные величины F = q*E, то для напряженности электрических полей справедлив принцип суперпозиции.

E = E1 + E2 + E3 + Ei + … + En,

т.е. напряженность поля системы n зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов системы в рассматриваемой точке.
Принцип суперпозиции отражает независимость действия электростатических полей.
Графическое изображение электростатических полей.

Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности электростатического поля в этой точке (см. рис. 2.). Такие линии получили название линий напряженности или силовых линий.
Линии напряженности начинаются у положительных зарядов (или в бесконечности) и оканчиваются у отрицательных зарядов. По густоте силовых линий можно судить о величине напряженности.

Отметим, что напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме из-за явления поляризации и, следовательно, густота силовых линий в диэлектрике меньше. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности в данной среде называют диэлектрической проницаемостью вещества.
e = Eвак./E.

Напряженность электростатического поля в металле равняется нулю, так как поле свободных зарядов, существующих в нем, через достаточно короткий промежуток времени уравновесит внешнее поле и ток в металле будет равен нулю. Поэтому силовые линии в металл не проникают.

Свойства электрического поля: его структура, сила

Современные представления предполагают, что электрозаряды не действуют друг на друга непосредственным образом. Абсолютно любое заряженное тело создает вокруг себя ЭП, которое воздействует на окружающее этот объект пространство. Оно может появляться и создаться при прохождении через проводник электричества и оказывает силовое воздействие на все другие заряженные тела. Основное свойство как раз в этом и заключается. В этой статье будет подробно разобрано, какие свойства электрического поля есть и какова структура электрополя.

Что это такое

Электрическое поле — это особое векторная характеристика, которая действует на все обладающие электрозарядом частицы, находящиеся в ее радиусе действия. Это электрополе входит в состав электромагнитного, то есть для него характерно отсутствие визуальной составляющей. Это значит, что ЭП нельзя увидеть глазами и оно может быть зафиксировано только в результате воздействия за заряженные частицы.

Напряженность и потенциал ЭП

Важно! На последнее реагируют все заряженные электрочастицы и тела, обладающие другими (противоположными) полюсами.

Электрополе — особая форма состояния материи, которое проявляется в ускорении электрочастиц и определенных тел, которые обладают электро зарядом. К особенностям электрополя относятся:

• Оно действует только при наличии электро заряда;
• Оно не имеет определенных четких границ;
• ЭП обладает определенной величиной воздействия;
• Его определить только по результату его воздействия.

Принцип суперпозиции

Характеристика ЭП неразрывно связана с зарядами. Они находятся в определенной электрочастице или теле. Преобразование ЭП происходит в двух случаях:

• При появлении вокруг него электрозарядов;
• При перемещении волн электромагнитной природы, которые способствуют изменению электрополя.

Работа сил ЭП

Электрополе влияет на неподвижные относительно наблюдателя объекты в виде электро заряженных частиц или тел. В конечном итоге они получают силовое влияние. Пример воздействия ЭП можно наблюдать и в бытовой ситуации. Для этого достаточно создать электрозаряд достаточной мощности. Книги по теоретической физике предлагают для этого простейший эксперимент, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить электрополе вполне можно просто, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы или шерсть. На ее поверхности образуется заряд, который приводит к появлению электрополя. Как следствие ручка притягивает мелкие электрочастицы в виде волос или бумаги. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластмассовой расчески.

Манипуляции с магнитными свойствами ЭП на основе железной крошки

Также примером появления электрополя в быту является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя различные электрозаряды. При снятии такого предмета одежды с тела ЭП подвергается различным силам воздействия, которое приводит к образованию вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов, которые сделаны из синтетических материалов.

Сделал открытие и впервые подтвердил наличие электрополя Майкл Фарадей — английский физик и экспериментатор. Именно он внес в физику понятие «поля» и установил основы его концепции, его физическую реальность.

Важно! Фарадей ввел понятие ЭП при исследовании диамагнетизма и парамагнетизма, когда он обнаружил небольшое отталкивание специальным магнитом ряда веществ.

Напряженность электростатического поля

Свойства

Основные свойства ЭП:

• Источником самого ЭП являются заряженные частицы и переменные ЭП магнитного происхождения. ЭП неразрывно связано с магнетизмом. Источником поля электростатической природы являются неподвижные электростатические заряды;
• ЭП воздействует на внесенные в него электрозаряды с некоторой силой;
• Скорость распространения электрического поля равна конечность скорости света в вакууме, то есть константе C, которая равна 3 * 10 в 8 степени метров в секунду;
• Обнаружение электрополя происходит по его воздействию на другие электрически заряженные тела;
• ЭП подчиняются принципу суперпозиции, то есть наложения. Это означает, что в каждой точке, пространства, электрополя действуют, как будто других сил воздействия нет. В данной точке, их суммарное воздействие на пробный электрозаряд определяется как сумма воздействий действующих ЭП.

Виды

Различают несколько основных видов электрополей. Отличие зависит от того, где оно существует. Следует рассмотреть несколько примеров возникающих сил в различных ситуациях:

• Когда заряженные электрочастицы неподвижны. Это называется статическим ЭП;
• Когда заряженные электрочастицы находятся в движении по проводнику. Это называется магнитным полем, которое не следует отождествлять с электрическим;
• Стационарное ЭП возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.

В радиоволнах есть ЭП и МП. Они расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение магнитного поля порождает возникновения электрополя с замкнутыми силовыми линиями.

Вихревые электромагнитные волны

Структура электрического поля

Для того чтобы понять структуру электрического вначале следует определить потенциал. Говоря просто, потенциал — это действие по переведению какого-либо тела или заряда из начального места в конкретный пункт размещения. Потенциал в сфере электрополя — это своеобразная энергия, которая двигает электрон. В результате движения он перемещается с точки так называемого нулевого потенциала в другую точку, имеющую ненулевой потенциал.

Чем выше потенциал, который потрачен на передвижение электрического заряда или тела, тем более значительной будет плотность потока на единице площади. Это явление сравнимо с законом гравитации: чем больше вес тела, тем выше энергия, действующая на него, а, значит, значительнее плотность гравитационной характеристики. В естественных условиях существуют заряды с незначительным потенциалом и с низкой степенью плотности, а также заряженные частицы и тела с высоким потенциалом и насыщенной плотностью потока. Такое явление, как работа по перемещению электрозаряда, наблюдается при грозе и молнии, когда в одном месте происходит истощение электронов, а в другом — их насыщение, образовывающее своеобразное электрически заряженное ЭП, когда происходит разряд в виде молнии.

Переменное МП

Как определить

Для количественного определения электрополя вводится значение силы напряженности электрического поля. Ею называют физическую величину, равную отношению силовых характеристик, с которыми ЭП воздействует на положительный пробный электрозаряд, находящийся в некоторой точке пространства, к величине этого заряда. Она равна E = F/q.

Течение жидкости под действием магнитных волн

Напряженность представляет собой векторную величина физического типа. Направление векторов силы в каждой точке конкретной области пространства соответствует направлением сил, воздействующих на положительный пробный заряд.

Формула напряженности поля между двумя зарядами

Электрополе неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это ЭП обозначают общим термином — электрическое поле

Если ЭП исследуется с помощью пробного заряда и создается сразу несколькими заряженными телами, то конечная силовая характеристика оказывается равной геометрической сумме сил, которые воздействуют на электрозаряд со стороны всех заряженных тел по отдельности. Следовательно, напряженность электрополя, которая создается набором зарядов в конкретной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей ЭП, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности: E = E1 + E2 + E3 +…

Напряженность точечного заряда

Таким образом, было определено, какими свойствами обладает электрическое поле и какова его структура. Все тела создают электрополя, если они заряжены. Понять, есть оно или нет нельзя визуальным путем. Для этого нужно подтвердить его воздействие на окружающие объекты.

Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Определение 1

Напряженность электрического поля – это силовая характеристика, которая используется для количественного определения электрического поля.

Второе значение термина – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.

Напряженность электрического поля можно задать формулой:

E→=F→q.

Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора E→ совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.

Напряженность электрического поля

Какое поле называют электростатическим?

Определение 2

Электростатическое поле – это электрическое поле, которое окружает неподвижные и не меняющиеся со временем заряды.

Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.

Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.

Определение 3

Напряженность электрического поля, которая создается в определенной точке пространства системой зарядов, будет равна векторной сумме напряженностей электрических полей:

E→=E1→+E2→+…

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.

Определение 4

Согласно формуле, напряженность электростатического поля, которое создается точечным зарядом Q на расстоянии r от него, в соответствии с законом Кулона, будет равна по модулю:

E=14πε0·Qr2.

Это поле называется кулоновским.

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

В кулоновском поле направление вектора E⇀ зависит от знака заряда Q: если Q>0, то вектор E⇀ направлен по радиусу от заряда, если Q<0, то вектор E⇀ направлен к заряду.

Обратимся к иллюстрации. На рисунке для большей наглядности мы используем силовые линии электрического поля. Они проходят таким образом, чтобы направление вектора E⇀ в каждой из точек пространства совпадало с направлением касательной к силовой линии. Густота силовых линий соответствует модулю вектора напряженности поля.

Рисунок 1.2.1. Силовые линии электрического поля.

Мы можем использовать как положительные, так и отрицательные точечные заряды. Оба эти случая мы изобразили на рисунке. Электростатическое поле, которое создается системой зарядов, мы можем представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов. В связи с этим мы можем рассматривать поля точечных зарядов как элементарные структурные единицы любого электрического поля.

Рисунок 1.2.2. Силовые линии кулоновских полей.

Кулоновское поле точечного заряда Q удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор r→от заряда Q к точке наблюдения. Тогда при Q>0 вектор E→ параллелен r→, а при Q<0 вектор E→ антипараллелен r→.

Следовательно можно записать:

E→=14πε0·Qr3r→,

где r – модуль радиус-вектора r→.

По заданному распределению зарядов можно определить электрическое поле E→. Такие задачи часто встречаются в таком разделе физики как электростатика. Рассмотрим пример такой задачи.

Пример 1

Предположим, что нам нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити на расстоянии R от нее. Для большей наглядности мы привели схему на рисунке ниже.

Рисунок 1.2.3. Электрическое поле заряженной нити.

Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с зарядом τΔx, где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей ∆E→. Результирующее поле оказывается равным

E=τ2πε0R.

Вектор E→ везде направлен по радиусу R→. Это следует из симметрии задачи.

Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Рисунок 1.2.4. Модель электрического поля точечных зарядов.

Рисунок 1.2.5. Модель движения заряда в электрическом поле.

Понятие о диполях

Определение 5

Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю зарядов, которые отличаются знаками и расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.

Рисунок 1.2.6. Силовые линии поля электрического диполя E→=E1→+E2→.

Дипольный момент p→ является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:

p→=l→q,

где l→ – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль l→=l.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (h3O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105°. Дипольный момент молекулы воды p=6,2·10–30 Кл · м.

Рисунок 1.2.7. Дипольный момент молекулы воды.

Электрическое поле | Что такое, характеристики, детали, история, типы, для чего это нужно, примеры

Физика

Электрическое поле — это любая пространственная область , где электрические заряды , которые могут быть положительными или отрицательными, связаны между собой в определенном пространстве. предел, являющийся электрическим полем, одновременно ограничивающим пространство в плоскости и пространство тела, заряженного электричеством . Сам по себе он не поддается измерению, но измеряется эффект, создаваемый электрическими зарядами внутри.В 1832 году Фарадей более подробно предложил идею электрического поля, чтобы продемонстрировать принцип электромагнитной индукции.

Что такое электрическое поле?

Электрическое поле определяется как сектор пространства , определяемый электрической силой, которая состоит из двух или более зарядов . Направление электрического поля зависит от направления силы, которое оно оказывает на положительный заряд. Он генерируется радиально по направлению к внешней стороне положительного заряда и радиально к внутренней части точечного заряда .

Части

• Величина (интенсивность): определяется как размер вектора, представляющий поле. Используется модель частиц, находящихся в электрическом поле.
• Направление : визуализируется осью, пересекающей частицы, и точкой в ​​пространстве, которая находится во взаимодействии.
• Sense : он определяется из ориентации линии, которая представляет величину, расположенную на оси, которая определяет направление электрического поля.
• Линии электрического поля или силовые линии : они определяются из воображаемых линий, которые нарисованы таким образом, что их направление в любой точке совпадает с направлением поля в этой точке. Они удаляются с положительными электрическими зарядами и удаляются с отрицательными электрическими зарядами.
• Сила : Электрическая сила — это набор, который существует между электрическими зарядами.

Характеристики электрического поля

Для правильной работы электрические поля должны иметь следующие характеристики:

• Они зависят исключительно от нагрузки, которая их генерирует.
• Электрическое поле существует только при обнаружении одного электрического заряда, второй или другие заряды не нужны для его обнаружения. Так же, как он существует, даже если груз не движется.
• Два или более электрических заряда взаимодействуют , которые могут быть положительными (+) или отрицательными (-). Противоположные заряды притягиваются, а одинаковые заряды отталкиваются.
• Визуализация линий в электрическом поле позволяет визуализировать величину и направление E.
• Напряженность или величина электрического поля измеряется в вольтах на метр (в / м). Уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.
• Источник энергии основан на электрическом напряжении.

История

Для понимания работы электричества в 18 веке, такие исследования, как Кулоновские, сосредоточены на электричестве, его внутреннем и внешнем функционировании и использовании в повседневном использовании. Установлено, что электрические заряды могут взаимодействовать на расстоянии между ними, а также массы против гравитационных сил .То есть масса или заряд могли необъяснимым образом, без какого-либо посредника, заметить присутствие другого в своем окружении.

Фарадей предлагает альтернативную интерпретацию , которая будет очень полезна, способствуя представлению об электрическом поле, предложение о том, что: пространство, окружающее электрический заряд, зависит от его присутствия , поскольку оно изменяет его характеристики. В одной из своих попыток проверить свой подход Фарадей описывает его как невидимые щупальца, движущиеся от электрического заряда.

Таким образом, с того момента, как тело приобретает заряд, эта информация быстро распространяется в окружающей среде, фактически со скоростью света, и в конечном итоге может достичь другого заряда. Далее обсуждается взаимодействие между одним зарядом и другим, так как можно описать и изучить факт взаимодействия зарядов в поле, где он взаимодействует.

Для представления электрического поля используются силовые линии , которые будут векторами, которые оставляют положительные электрические заряды и переходят в отрицательные.Таким образом, указывается направление силы электрического поля, которое, в свою очередь, вызывает точечный и положительный заряд, называемый тестовым зарядом. Количество силовых линий было бы пропорционально напряженности электрического поля, поскольку при подсчете линий взаимодействия они очень близки, поле велико, а там, где они разделены, поле мало.

Такие исследователи, как Майкл Фарадей и более поздние исследования Джеймса Клерка Максвелла , позволили первые описания электрических явлений, например, закон Кулона, в котором учитывались только электрические заряды; затем разработать более полные законы, в которых изучается изменение поля.

Для чего нужно электрическое поле?

Электрическое поле служит для выделения взаимодействия заряженных частиц и определения силы, действующей на заряд, находящийся в этой точке.

Единицы измерения электрического поля

В качестве единицы измерения напряженности или величины электрического поля используется вольт на метр (в / м).

Закон Кулона может использоваться в случае электрических полей, потому что он устанавливает, как сила между двумя точечными электрическими зарядами, являясь точечным электрическим зарядом, зарядом, который расположен в геометрической точке на пространственном уровне.Помня, что он будет использоваться в определенных случаях, учитывая, что эти заряды должны находиться в состоянии покоя, генерируя электростатику. Этот закон изучает взаимодействие между электрическими зарядами, которые особенно малы по сравнению с расстоянием между ними.

Формула

Формула для расчета электрического поля выглядит следующим образом:

Где E — напряженность электрического поля, F — сила и q — нагрузка .

Типы

Существует трех типов электрических полей. Первый создается распределением заряда и известен как электростатическое поле . Второй и третий связаны с двумя типами магнитной индукции , один создается пространственным перемещением относительно магнитного потока, а другой создается за счет времени соединения , которое изменяет магнитный поток.

Однородное электрическое поле

Электрическое поле состоит из пространственной зоны, в которой взаимодействуют электрические заряды одинаковой величины, значения и направления.Например, при наличии двух заряженных параллельных пластин электрическое поле будет ориентировано от пластины с положительным электрическим зарядом к пластине с отрицательным зарядом, в результате чего вектор не изменится.

Примеры

• Электрические лампы : Электрическая лампа, подключенная к току через электрический кабель, способна генерировать электрические поля в воздухе, окружающем это устройство. Чем выше напряжение, тем больше напряженность электрического поля. Напряжение может существовать даже при отсутствии активного электрического тока, поскольку не требуется, чтобы электроприбор был активен для создания вокруг него электрического поля.
• Радио и телевидение передающие и приемные антенны : от передающего устройства радиостанции к обычному радио сообщение передается через электрическое поле, которое создается антеннами, которые захватывают информацию и передают ее. Его наиболее распространенная форма — металлический стержень. Каждая радиостанция имеет определенную частоту, которая генерирует разные электрические поля, работа определяется периодическим движением зарядов электрической энергии, которые перемещаются от одного конца к другому, генерируя на одном конце антенны избыток отрицательного заряда, а на другом. конец, генерирует дефицит положительного заряда, меняются с одного конца на другой, генерируя полярность.

Написано Габриэлой Брисеньо В.

Понимание электрического поля и его характеристик

Определение электрического поля — это область электрически заряженных объектов, как положительных, так и отрицательных. Электрическое поле полезно для ограничения пространства в поле и границ в пространстве электрически заряженных объектов.

Измерение электрического поля не может быть выполнено само по себе, необходимо использовать эффекты или удары, вызванные большим электрическим зарядом в нем.Электрическое поле также является векторным полем.

Электричество часто встречается в обсуждениях на уроках физики. В своем применении электрическое поле относится к электронному полю. Потому что он использует электрический заряд в кабеле или может называться проводником.

arpansa.gov.au

Определение электрического поля

Электрическое поле — это эффект, который возникает из-за наличия в нем электрического заряда. Будь то электроны, протоны или ионы в другом пространстве вокруг него.Электрическое поле — это пространственный сектор, который возникает из-за электрической силы и обычно состоит из двух или более зарядов.

Само электрическое поле имеет единицу, а именно Ньютон / Клумб, которая обычно обозначается символом n / c. Между тем, чтобы описать это с помощью воображаемых линий или линий электрической силы. Дуга — это путь, по которому движется положительный заряд в электрическом поле.

Электрическая сила никогда не пересечется, потому что электрическая сила представляет собой воображаемую линию, исходящую от положительно заряженного объекта и заканчивающуюся отрицательным зарядом.

Характеристики электрического поля

Узнав значение электрического поля, мы пытаемся перейти к характеристикам электричества. Для правильной и правильной работы электрическое поле должно иметь свои характеристики и характеристики. Ниже приведены некоторые характеристики электрического поля.

• Электричество зависит только от нагрузки, которая его производит.
• Источник энергии в электричестве соответствует напряжению в сети.
• Есть нагрузка электричеством на 2/3 больше, и еще много

Основы электрического поля | Уравнение, Точечный заряд, Линия зарядов

В предыдущих руководствах мы познакомились с основами Электрический заряд и Закона Кулона . В этом уроке мы продолжим изучать концепции электростатики, разбираясь в электрическом поле.

Мы постараемся получить картину электрического поля, силовых линий электрического поля и их свойств, электрического поля, обусловленного различным распределением заряда (точечный заряд, диполь, линия заряда и т. Д.)).

Введение

Если вы вспомните предыдущие темы об электрическом заряде и законе Кулона, мы можем сказать, что закон Кулона определяет электрическую силу между двумя электрическими зарядами, т.е. когда объект с зарядом q1 помещается рядом с другим объектом с зарядом q2, тогда q1 испытывает силу, которое можно определить с помощью закона Кулона.

Может возникнуть интересный вопрос, как электрические заряды q1 «узнают» о наличии заряда q2, когда они разделены расстоянием и не касаются друг друга? Как q2 может толкать (или тянуть) q1 за счет приложения силы?

Ответ на все эти вопросы — электрическое поле.Подобно гравитации, электрическое поле — это просто наличие заряда, который представляет «область его влияния».

Что такое электрическое поле?

Рассмотрим точечный заряд q1. Если другой заряд q2 поднести к q1, то q2 испытывает силу (мы знаем это из закона Кулона). Что, если q2 переместить вокруг q1? Даже тогда q2 испытывает силу, как показано на следующем изображении.

Это означает, что вокруг заряда q1 есть область, в которой он воздействует на любые другие заряды (например, q2 в данном случае).Область, в которой заряд действует на любой другой заряд в этой области, называется электрическим полем этого заряда.

Согласно закону Кулона сила, испытываемая зарядом q2 за счет заряда q1, приведена ниже:

Если мы запишем приведенное выше уравнение как силу на единицу заряда, то получим следующее уравнение:

Это электрическое поле (или напряженность электрического поля), равное силе, приложенной на единицу заряда. Это векторная величина, обозначаемая.Направление этого вектора — линия, соединяющая q1 и q2.

Электрическое поле вокруг заряженного объекта представлено с помощью воображаемых силовых линий, называемых линиями электрического поля. Для положительного заряда эти линии исходят от заряда радиально наружу. Напротив, для отрицательного заряда линии направлены внутрь, в сторону заряда.

Измерение E с использованием тестового заряда

Рассмотрим точечный заряд, электрическое поле которого равно E. Теперь, если мы поместим заряд q (также называемый пробным зарядом) на расстоянии r от точечного заряда, на него будет действовать электрическая сила согласно следующему уравнению.

Используя закон Кулона, мы можем вычислить силу, прилагаемую точечным зарядом Q к испытательному заряду q, следующим образом:

Используя приведенное выше уравнение в предыдущем уравнении, мы получаем:

Далее, мы можем вычислить E, используя приведенное выше уравнение:

шт. Е

Согласно вышеприведенному обсуждению, электрическое поле определяется как электрическая сила на единицу заряда. Следовательно,

E = Сила на единицу заряда = Ньютоны / Кулон = Н / З

Следовательно, единицы E — N / C.Его также можно измерить в вольтах на метр (В / м).

Электрическое поле, вызванное разным распределением заряда

Теперь давайте посмотрим, как мы можем определить электрическое поле из-за различных типов распределения заряда. В этом руководстве мы рассмотрим четыре типа распределения заряда: точечный заряд, электрический диполь, линия заряда и заряженный диск.

Точечный заряд

Это очень просто, и мы уже видели уравнение для точечного заряда. Но давайте найдем электрическое поле, обусловленное точечным зарядом.Предположим, что это точечный заряд q. Поместим еще один заряд q _o (пробный) на расстоянии r от точечного заряда.

Из закона Кулона электрическая сила, действующая на пробный заряд, определяется следующим уравнением:

Если точечный заряд q положительный, то направление F от заряда, а если q отрицательное, направление F направлено к точечному заряду. Имея это в виду, теперь мы можем рассчитать E следующим образом:

Электрический диполь

На следующем изображении показана установка из двух зарядов, равных по величине и противоположных по знаку.Эту конфигурацию часто называют электрическим диполем.

Теперь найдем E, обусловленную электрическим диполем. На следующем изображении показаны две заряженные частицы одинаковой величины q, но противоположного знака. Их разделяет расстояние d. ось, проходящая через заряженные частицы, называется осью диполя, и мы найдем E в точке P, которая находится на расстоянии z от середины оси диполя.

Используя принцип суперпозиции для электрических полей, величина E в точке P определяется следующим уравнением:

Используя небольшую алгебру в приведенном выше уравнении, а также предполагая, что расстояние z намного больше, чем d (z >> d), мы получаем следующее уравнение.

Линия зарядки

Рассмотренное выше распределение заряда считается дискретным. Но некоторые распределения заряда состоят из множества плотно расположенных точечных зарядов (в количестве миллионов или миллиардов), которые распределены вдоль линии, по поверхности или внутри объема.

Такое распределение считается непрерывным, и в этом случае заряд объекта легко выразить как плотность заряда, а не как общий заряд. В случае линии зарядов мы используем линейную плотность заряда, представленную λ (единицы Кл / м).

Теперь рассмотрим изолирующее кольцо радиуса R. По его окружности имеется однородная плотность положительного заряда λ. Теперь мы вычислим E в точке P, которая находится на расстоянии z от плоскости кольца вдоль его центральной оси.

Мы не можем вычислить E напрямую, поскольку кольцо не является точечным зарядом. Итак, разделим кольцо на несколько дифференциальных элементов заряда, которые идентичны точечному заряду.

Мы знаем, что λ — это заряд на единицу длины. Предположим, что ds — это длина дифференциального элемента.Тогда величина заряда этого дифференциального элемента составляет:

dq = λ ds

Поскольку заряд является дифференциальным, E в точке P также является дифференциальным и определяется следующим уравнением.

Используя небольшую тригонометрию, мы можем записать приведенное выше уравнение следующим образом:

Теперь, после добавления параллельного компонента, интегрирования по всей окружности и замены λ, мы получаем E как:

Заряженный диск

Рассмотрим изолированный круглый диск радиуса R с положительной поверхностной плотностью заряда σ (заряд на единицу площади).Теперь мы вычислим E в точке P, которая находится на расстоянии z от диска по его центральной оси.

Как и в предыдущей строке расчета заряда, мы разделим диск на концентрические кольца и вычислим E путем интегрирования. Пусть одно из концентрических колец имеет радиус r и радиальную ширину dr.

Если σ — заряд на единицу площади, а dA — дифференциальная площадь кольца, то заряд кольца равен

.

dq = σ dA = σ (2πr dr)

Из предыдущего расчета заряда кольца dE из-за плоского кольца равно

Интегрируя это по поверхности диска и переставляя, мы получаем E заряженного диска следующим образом:

Влияние напряженности электрического поля на микроструктурные характеристики Эволюция метилвинилсиликонового каучука с помощью молекулярного моделирования

Abstract

Во время передачи сверхвысокого напряжения (СВН) разряд, вызванный электрическими полями высокой интенсивности, усугубляет процесс старения внешних изоляционных материалов, используемых для композитные изоляторы.Микроструктурные характеристики полимера основного материала — метилвинилсиликонового каучука — являются ключевой основой характеристик изоляционных материалов при воздействии электрического поля. На основе моделирования молекулярной динамики была создана молекулярная модель метилвинилсиликонового каучука. Механизмы, влияющие на эволюцию микроструктуры под действием электрических полей, изучены на атомном уровне. Результаты показали, что начальные характеристики реакции молекул силиконового каучука включают сильную вибрацию всех атомов метила и винила и сокращение химических связей.Соседние группы были близки друг к другу и генерировали разное количество -Si-Si- связей. Это способствовало спиральному сжатию молекулы и выступу середины молекулы, которая имела форму перевернутой буквы U. Сильное электрическое поле значительно уменьшило общую энергию молекул, и, в частности, потенциальная энергия была разрушена сильнее, что привело к деградации ее структуры. Кроме того, с увеличением напряженности электрического поля модуль упругости молекулы постепенно увеличивался.Было показано, что высокие электрические поля увеличивают жесткость силиконового каучука и повышают хрупкость, что снижает механические свойства материалов, ускоряя его старение. Результаты представляют собой теоретическую основу для установления связи между внешним видом и макро-характеристиками материалов, а также справочные значения для оптимизации основных материалов, используемых для изготовления композитных изоляторов.

Ключевые слова: композитный изолятор , метилвинилсиликоновый каучук, молекулярная динамика, электрическое поле, модуль упругости

1.Введение

Поскольку композитные изоляторы обладают отличными характеристиками, они имеют очевидные преимущества при выборе внешней изоляции для проектов передачи сверхвысокого напряжения сверхвысокого напряжения [1]. Однако поверхность композитных изоляторов в проектах сверхвысокого напряжения будет сталкиваться с сильными электрическими полями. Из-за более длинных изоляционных расстояний напряженность поля на стороне высокого напряжения более концентрированная [2]. Постоянно концентрированные сильные электрические поля вызывают серьезное повреждение электрических и механических свойств композитных изоляторов, что может деформировать или даже растрескивать полимерную структуру силиконового каучука [3] и, как следствие, его химическую структуру, твердость, эластичность и другие физико-химические свойства. могут быть изменены [4].Видно, что в условиях сильного электрического поля сверхвысокого напряжения не следует недооценивать проблемы старения композитных изоляторов.

В большинстве случаев исследователи изучали композитные изоляторы, выдержанные в экспериментах с электрическим полем. В [5] показано, что поле с высоким постоянным напряжением разрывает химические связи на поверхностях изолятора и в дальнейшем влияет на гидрофобность их поверхностей. Liang et al. в Университете Цинхуа [6,7,8] считают, что изменения химической структуры силиконового каучука, выдержанного коронным разрядом, являются прямой причиной изменения его характеристик.В [9] показано, что плотность улавливания силиконового каучука значительно увеличивается с увеличением времени старения в коронном разряде, а также меняются многие химические группы на поверхности. Tu et al. [10] выполнили моделирование электрического старения композитных изоляторов и обнаружили, что чем выше напряженность электрического поля, тем хуже гидрофобность на поверхности.

Текущие исследования в основном сосредоточены на разрядном старении изоляционных материалов, вызванном увеличением электрических полей. Процесс старения материалов варьируется от количественных до качественных.Однако в вышеупомянутых исследованиях редко изучалась структурная эволюция материала при увеличении напряженности электрического поля. Когда материал изначально помещается в увеличивающееся электрическое поле, изменение характеристик внутренней структуры является ранней стадией разрядного старения и дальнейшей деградации. Вышеупомянутые исследования основывались и анализировали состояние старения материалов на основе макроскопических характеристик, которые являются совокупным результатом микротехнических характеристик материала, но изменения микротехнических характеристик трудно наблюдать непосредственно из экспериментов.

Из-за ограничений экспериментальных средств метод молекулярного моделирования привлек больше внимания и получил широкое распространение, особенно в области микротехнологий в области материалов, где был достигнут ряд замечательных достижений. Например, метод моделирования был применен в процессе разложения целлюлозы масляной бумажной изоляции Liao et al. [11,12]. С помощью этого исследования они изучили диффузионное поведение влаги и кислоты в изоляционной бумаге во время последующих работ.Китайские профессора Ван [13], Ли и Чжан [14,15,16] и др. провели молекулярное моделирование целлюлозы при различных температурах для анализа механизма пиролиза изоляционной бумаги. Основываясь на высокой эффективности реакции Reax FF [17], процесс высокотемпературного растрескивания изоляционной бумаги был смоделирован в литературе [18]. Начальная стадия пиролиза фенольной смолы моделировалась в [19] при различных температурах. Кроме того, Паавилайнен и др. [20] и ссылки [21,22] исследовали влияние температуры на водородные связи и связанные с ними свойства молекулярных цепей в целлюлозных структурах.В [23] исследован процесс плавления β -кристобалита в различных электрических полях. Факторы влияния на динамическую стабильность полимера изучались в [24,25]. Модель расчета функционала плотности целлюлозы была подробно исследована в [26]. Очевидно, что макроскопические характеристики и основные правила систем могут быть получены методом молекулярной динамики для дальнейшего изучения законов движения микромолекул [27].

Самым используемым основным полимером для композитных изоляторов в стране и за рубежом является метилвинилсиликоновый каучук (MVQ) [28].На основе теории молекулярной динамики была создана молекулярная модель MVQ. Исследован процесс эволюции микроструктуры силиконового каучука при различной напряженности электрического поля. Статистически проанализированы изменения родственных характеристик и химических связей. Затем были подробно проанализированы законы эволюции механических свойств. На атомном уровне раскрыт первоначальный механизм реакции силиконового каучука в электрическом поле.

2. Расчет параметров и базовая модель

2.1. Расчет параметров

Поскольку электрическое поле играет ключевую роль в свойствах силиконового каучука, электростатическое взаимодействие рассчитывается методом суммирования Эвальда. В этом методе каждая частица взаимодействует с зеркальным отображением всех других частиц в симуляторе и всех частиц в окружающей решетке. Также предполагается, что каждая частица окружена распределением нейтрализованного заряда с одинаковым зарядом противоположного знака. Таким образом, электростатическое взаимодействие является суммой взаимодействия между функциями Гаусса ( E _Gauss ), реальным пространством ( E _{реальное пространство} ), обратным пространством ( E _{обратным пространством} ) и скорректированный член энергии ( E _corr ) распределения Гаусса [29], как указано уравнением (1):

E = Ereal-space + Erecip-space + EGauss + Ecorr = 12∑i = 1N ∑j = 1N {+ ∑n = 0∞qiqjerfc (α | rij + n |) | rij + n | + ∑k ≠ 04πqiqjk2L3exp (−k24α2) cos (k⋅rij) −απ∑k = 1Nqk2 + 2π3L3 | ∑ k = 1Nqkrk | 2,

(1)

В формуле N — заряженные частицы, q — количество заряда, r — расстояние между частицами, L — длина стороны симулятора, k = 0, 1, 2,…, α является константой, и ее обычный объем вычислений составляет порядка N ² , n — координаты зеркального блока.

Были рассчитаны основные характеристики молекулярной цепи, такие как потенциальная энергия, кинетическая энергия, кинетические константы и длины связей. Для изучения взаимосвязи с макроскопическими характеристиками силиконового каучука также были рассчитаны параметры модуля упругости. Объемный модуль, модуль сдвига и модуль Юнга являются важными показателями, отражающими способность материалов противостоять упругой деформации. Чем больше значения, тем больше жесткость. Значения также связаны с химической структурой, составом, микроструктурой и температурой материалов.На основе значений модуля Юнга и модуля сдвига, полученных в результате моделирования, и в соответствии с выводом закона Гука, постоянная упругости и модуль объемной упругости были рассчитаны в сочетании с уравнениями (2) и (3):

В формулах: E — константа упругости, G, — модуль сдвига, K — модуль объемной упругости и v — коэффициент Пуассона.

2.2. Молекулярная структура

Основным материалом MVQ является полиметилвинилсилоксан, который представляет собой высокомолекулярный сополимер сегментов цепи диметилсилоксана и метилвинилсилоксана.Молекулярную структуру можно увидеть на. Молекулярная цепь состоит из мостиковых связей -Si-O-Si-, в то время как атомы Si в основном связаны с -CH ₃ , а небольшое количество ненасыщенных групп вводится в боковые цепи, например -CH = CH ₂ . Межмолекулярные силы невелики, а расположенные наружу метильные группы могут свободно вращаться, поэтому силиконовый каучук обладает определенной степенью гидрофобности.

Молекулярная структура полиметилвинилсилоксана.

2.3. Молекулярная модель и оптимизация

Молекулярная масса Mr MVQ составляет: (4.0 ~ 6.0) × 10 ⁵ . Непрактично моделировать 400 ~ 800 тысяч молекул и проводить моделирование при различной напряженности электрического поля. Однако степень полимеризации была слишком мала, чтобы отражать основные характеристики полимера. Некоторые ученые предположили, что существуют крупнозернистые модели, позволяющие моделировать длинные полимерные цепи [30,31]. Чтобы тщательно изучить изменения длины и движения атомных связей и т. Д., Была создана молекулярная модель силиконового каучука MVQ, содержащего 237 атомов со степенью полимеризации 10, как показано на рис.

Исходная молекулярная модель. O: красный, Si: желтый, C: серый, H: белый.

Для моделирования эволюции молекулы при комнатной температуре поле было установлено равным 298 К. Более того, в модели не учитывались другие наполнители или примеси. На основе программного обеспечения Materials Studio силовое поле Forcite / COMPASS использовалось для оптимизации геометрии молекул и минимизации энергии. Силовое поле COMPASS включает в себя многие ab initio расчеты квантовой механики и имеет множество параметров для металлов и оксидов металлов.Более того, это первое высококачественное молекулярное силовое поле, которое объединяет органические и неорганические молекулярные параметры в одном силовом поле. Его правильность подтверждена в общей сложности 28 молекулами одиночных молекул, молекулами жидкости и молекулами кристаллов [11]. 20 000 шагов были выбраны для оптимизации геометрии, и 5000 шагов были использованы для оптимизации минимизации энергии. Шаг по времени — 1 фс. Целью оптимизации молекулы является получение более стабильной молекулярной структуры.Расчетный метод электростатики основан на атомах Эвальда и Ван-дер-Ваальса. Ансамбль NVT выбирается для получения необходимой среды моделирования. Его эффективность доказывается [11,12,13,19,20]. После оптимизации молекулярная цепочка сжимается внутрь и приобретает изогнутую форму, как показано на. Размер коробки цепи составляет 13,5 Å × 13,5 Å × 13,5 Å с расстоянием отсечки 6,5 Å. Чтобы удобно обозначить изменения молекулярной цепи, прямоугольник был удален.

Оптимизированная молекулярная структура.

Как видно из, молекулярная энергия силиконового каучука значительно изменяется после оптимизации. Когда общая потенциальная энергия, энергия связи, энергия Ван-дер-Ваальса, электростатическая энергия и т. Д. Уменьшаются настолько сильно, что текущая молекулярная структура считается стабильной для дальнейших расчетов. Поэтому на основе метода суммирования Эвальда часть зарядов атомов показана в.

Таблица 1

Молекулярные энергии до и после оптимизации.

904 904 904

Энергия (ккал / моль)	Предварительная оптимизация	Оптимизированная
полная потенциальная энергия	649.891	−1817,707
энергия изгиба валентного угла	319,320	88,625
двугранный угол скручивания энергии связи	−68,015	−55.556
энергия взаимодействия без связи	−416,838	−1842,585
энергия Ван-дер-Ваальса	1162,035	−52.598
электростатическая энергия	−1578,873	−1789,987

Таблица 2

9045 904 904 904 904 904 904 904 904 904 90421 905 905 0,12 Расчет молекулярного силового поля

Учитывая, что объекты исследования содержат атомы C, H, O, Si, силовое поле Дрейдинга было выбрано для расчета структуры и свойств молекулярных агрегатов, поэтому МД-расчеты проводились при различной напряженности электрического поля с помощью GULP. / Пакет Dreiding.Расчеты проводились для 5000 шагов с шагом по времени 1 фс на скважине при температуре 298 К. Время релаксации составляет 1 пс. Электрическое поле устанавливали в направлении X от 0,001 В / Å до 3 В / Å с интервалом 0,2 В / Å и двумя дополнительными полями 0,01 В / Å и 0,1 В / Å.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Расчет молекулярного силового поля

показывает изменения молекулярной цепи под действием различных электрических полей, в которых направления белых стрелок представляют тенденции сокращения молекулы.Можно заметить, что молекулярная цепочка силиконового каучука сжимается от двух концов к середине, что приводит к центральному выступу спирали и образованию перевернутой U-образной формы. Метильные и винильные группы, присоединенные к атомам Si, сильно колеблются, в то время как связи -Si-C- и -Si-O- соответственно вращаются. Связи -Si-Si- образуются на основе связей -Si-O-Si- с образованием треугольной структуры, при этом одновременно происходит резкое изменение длин связей и валентных углов -CH ₃ , а также -CH = СН ₂ .По мере увеличения напряженности электрического поля появляется значительно сжатая молекула с более очевидной спиральной структурой. Между тем, группы ^, оборотов больше, и количество -Si-Si- связей постоянно меняется. Мостиковые связи -Si-O-Si- имеют тенденцию образовывать кольцевую структуру с укороченными связями -C-H, и длина молекулы значительно уменьшается.

Структурные изменения цепочек молекул под действием различных электрических полей. ( a ) Молекула в 0.Электрическое поле 001 В / Å; ( b ) Молекула в электрическом поле 0,01 В / Å; ( c ) Молекула в электрическом поле 0,1 В / Å; ( d ) Молекула в электрическом поле 1 В / Å.

3.2. Изменения молекулярной энергии

В результате статистического анализа полученные тренды общей энергии и потенциальной энергии в каждом прогоне показаны в. Когда напряженность электрического поля меньше 1,7 В / Å, энергия демонстрирует постепенную тенденцию к снижению из-за непрерывного увеличения электрических полей, но тенденция ее изменения была относительно стабильной, что можно рассматривать как переходный период.После того, как поле достигает 1,7 В / Å, в результате уменьшения полной энергии и потенциальной энергии, повреждение силы электрического поля на молекуле становится заметным.

Изменения постоянной полной и потенциальной энергии.

В то же время, как видно из, система в основном воплощается в интенсивном движении атомов, молекулы не сильно меняются в размерах, за исключением сжатия, поэтому постоянная движения немного увеличивается, достигая максимума при 1,7 В / Å, после чего следует еще один этап непрерывного увеличения.Кроме того, он также может быть получен из стабильного температурного поля с 298 К, ​​кинетическая энергия остается в основном постоянной, поэтому ее изменение относительно невелико.

Изменения кинетической энергии и движения.

Потенциальная энергия является частью общей энергии, и тенденция ее изменения в основном такая же, как и полная энергия (), что указывает на то, что уменьшение общей энергии в основном вызвано изменениями потенциальной энергии. С изменением законов молекулярной структуры в разделе 3.1 известно, что высокое напряжение электрического поля, очевидно, разрушит молекулярную потенциальную энергию в слабом температурном поле (298 K), что приведет к сжатию спирали и разрушению структуры.

3.3. Изменения внутренней температуры

Его можно найти в: внутренняя температура молекулы медленно повышается и падает, затем снова увеличивается при возрастании напряженности электрического поля, но постоянная движения постепенно увеличивается, когда она составляет менее 1,5 В / Å (), атомная увеличивается вибрация и повышается внутренняя температура. Когда электрическое поле далее увеличивается более чем на 1,5 В / Å, более высокая внутренняя температура на ранней стадии вызывает потери энергии молекулы, ослабляя ее атомные колебания, поэтому внутренняя температура уменьшается.

Изменения внутренней температуры молекул.

Молекулярная структура претерпела значительную деградацию со значительным снижением потенциальной энергии при дальнейшем увеличении интенсивности. Не было сомнений, что способность молекул противостоять внешнему электрическому полю значительно ослаблена, колебания внутренней температуры увеличиваются, что приводит к дальнейшему разрушению потенциальной энергии молекул.

3.4. Число изменений -Si-Si-

Поскольку молекулярная цепочка сжимается по спирали, делая два атома Si на связи -Si-O-Si- сближенными друг с другом, связи Si-Si создаются межатомной силой Ван-дер-Ваальса и их собственная измененная энергия.Неравное количество -Si-Si- связей, которые представляют собой распределение точек рассеяния при различной напряженности электрического поля, показано на рис.

Количество -Si-Si- связи.

Чтобы изучить характер его распределения, на графике распределения проводится аппроксимация кривой (красная кривая в значке). Количество связей показывает функцию полиномиальной регрессии четвертой степени с напряженностью электрического поля, соотношение показано в уравнении (4):

Y = A + B1X + B2X2 + B3X3 + B4X4,

(4)

In Чем ниже напряженность электрического поля, тем интенсивнее начальные движения атомов, поэтому образование -Si-Si- связей затруднено.Следовательно, когда поле меньше 1,3 В / Å, количество -Si-Si- связей постепенно уменьшается с ростом напряженности поля. Наряду с дальнейшим увеличением интенсивности, внутренняя температура постепенно снижается, энергия молекул уменьшается более резко, сила движения атомов замедляется, и легко возникают связи -Si-Si-. Более того, с увеличением количества связей спиральное сжатие молекулярной структуры становится более очевидным. Можно видеть, что образование -Si-Si- связей является необходимой стадией в процессе разрушения молекулярной структуры, которая будет способствовать дальнейшей деградации молекул.

3.5. Изменения химических связей

Как и в исходной статье [32], длина связи является одним из наиболее важных параметров для характеристики молекулярной структуры. Для дальнейшего изучения причин изменения молекулярной структуры и образования связей Si-Si были выбраны некоторые молекулярные цепочки при напряженности электрического поля 0,001 В / Å, 0,01 В / Å, 0,1 В / Å и 1 В / Å. В качестве примеров выбраны связи Si74-Si3, Si117-Si106, Si3-Si1, Si228-Si196 с репрезентативностью. Затем статистически анализируются изменения длины соответствующих связей Si-O и связей Si-C.Отношения между связанными связями и основными химическими связями показаны, а также длины связей.

Длина связи в различных электрических полях. ( a ) Длины связи Si74-Si3 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,001 В / Å (справа); ( b ) Длины связи Si117-Si106 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,01 В / Å (справа); ( c ) Длины связи Si3-Si1 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,1 В / Å (справа); ( d ) Длины связи Si228-Si196 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 1 В / Å.

Если взять в качестве примера связи Si74-Si3 и Si228-Si196, длины связей показаны на рис. Статистически установлено, что все связи Si-C и Si-O явно укорачиваются, длины связей Si-C сильно различаются, в то время как длины Si-O имеют относительно небольшие изменения. У других облигаций такое же явление.

Таблица 3

Atomic Label	Charge65 Si)
−0,44500
C1	−0,29400
h2	0,05300
Si1	0,62750
Si1 0.71500
Si1	2,40700
C2	−0,35380
C2	−0,25360
h2

4891 904 904 904 66

Длина связи		Длина связи без электрического поля (Å)	Длина связи с электрическим полем (Å)	Изменение длины связи (Å)
Si74-Si3 .001 В / Å)	Si3-C6	1.894	1.663	0,231
	Si3-C7	1.894	1.751	0,143	1.751	0,143	Si04 0,055
	Si3-O2	1,647	1,618	0,029
	Si74-C78	1,889	1,716	0,173
	1.669	0,222
	O73-Si74	1,656	1,539	0,117
Si74-O75	1,651	1 1,648 901 906 Å)	Si228-C229	1,894	1,701	0,193
Si228-C230	1,901	1,702	0,199	1,702	0,199	Si0465	1	Si 1 0454667	1,618	0,049
Si228-O227	1,658	1,603	0,055
Si196-C198	1,844	1,712	0,188
O237-Si196	1,652	1,559	0,093
Si196-O206	1,655		1,606 904.049

Под действием полевых напряжений структура молекул силиконового каучука изменилась в сторону эволюции минимизации энергии. Химические связи укорачиваются и высвобождают энергию в новое стабильное состояние. Как упоминается в статье [27], для создания новых связей необходимо преодолеть влияние напряжения электрического поля и электроотрицательности соседних групп путем непрерывного поглощения энергии. Согласно вышеупомянутой статье, связи Si-C и мостиковые связи Si-O-Si высвобождают энергию, когда связи укорачиваются.Одновременно непрерывно сокращаются расстояния между двумя соседними атомами Si. Атомы постепенно сближаются друг с другом из-за полевых напряжений и их притягивающих взаимодействий, поэтому в молекуле возникает явление сжатия.

Кроме того, поскольку энергия связи Si-O составляет 460 кДж / моль, энергия связи Si-C составляет 347 кДж / моль, и по сравнению со связью Si-Si 176 кДж / моль первые две имеют большую энергию связи, а вторая — меньше, но энергия последнего высока, тепло, которое необходимо поглощать во время процесса изменения, мало [33], поэтому связь Si-Si легко генерируется.

Из вышесказанного видно, что энергия, выделяемая укороченными связями Si-O и Si-C, в основном способствует образованию связей Si-Si под действием напряжений электрического поля. Кроме того, одна часть энергии молекулы потребляется и рассеивается атомными тепловыми движениями, в то время как другая часть используется для преодоления Ван-дер-Ваальса между атомами для создания новых связей. Вся система поддерживает динамический баланс энергии в любой момент.

Следует отметить, что из-за отсутствия эквивалентности времени моделирования и фактического времени старения на месте [11], при кратковременных напряжениях электрического поля энергии связи Si-O, Si-C и CH настолько крупнее, что три вида связей не имеют явных явлений разрушения.

3.6. Изменения модуля упругости

Модуль Юнга может характеризовать способность материала сопротивляться деформации. Модуль сдвига — это способность характеризовать сопротивление материалов деформации сдвига. Коэффициент Пуассона — это постоянная пружины, отражающая поперечную деформацию материалов. На основе моделирования основных механических параметров в различных электрических полях вычисляются упругие постоянные. Результаты показаны в.

Изменение модуля упругости.

С увеличением напряженности электрического поля постоянная упругости имеет наиболее очевидную тенденцию к увеличению.Хотя модуль Юнга сильно колеблется, он также имеет тенденцию к росту. Коэффициент Пуассона и модуль сдвига увеличиваются меньше при более стабильных тенденциях. Постепенно увеличивающийся модуль упругости показывает, что способность силиконового каучука противостоять деформации увеличивается, то есть деформация при определенном напряжении меньше, а это означает, что большее электрическое поле увеличивает жесткость материала, увеличивается хрупкость и процесс старения тоже ускоряется. Это явление согласуется с причинами появления трещин из-за старения на поверхности композитных изоляторов во время реальной эксплуатации.

Вклад авторов

Концептуализация, Ю.Л. и T.G .; Методология, Ю.Л .; Валидация, Ю.Л. и T.G .; Формальный анализ, Ю. и T.G .; Data Curation, T.G., X.W., M.S. и L.G .; Написание оригинального черновика, T.G .; Написание, рецензирование и редактирование, Y.L., T.G., X.W., M.S. и L.G .; Визуализация, Т.Г .; Надзор, Ю.Л .; Администрация проекта, Ю.Л .; Финансирование Приобретение, Ю.Л.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Обзор характеристик электрического поля до удара молнии

записи.Из-за отсутствия устройств измерения полярности в центре

Trivandrum Center, провал перед пиком не мог быть идентифицирован как изменение полярности, которое характерно для

вариаций электрического поля. Однако отчетливо видны вариации звездной величины

.

Нарастание и изменение полярности электрического поля до удара

является ключевым параметром, который можно эффективно использовать при обнаружении света.всякий раз, когда происходит разделение зарядов над или

рядом с EFM, или когда зрелая гроза приближается к проблемной области, происходит изменение полярности электрического поля

, которое сопровождается увеличением магнитного поля

. . Это означает, что электрическое поле становится большим отрицательным значением до удара молнии.

VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерения электрического поля и их анализ помогают метеорологам

предсказать очень сложный первый удар.В статье

основное внимание уделяется обзорному исследованию данных электрического поля из

Национального центра исследований Земли, Тривандрам и

обсерватории Зоннблик, Австрия. Было обнаружено, что наборы экспериментальных данных

из обоих регионов согласуются с литературным исследованием

. Такое сравнение данных из двух очень разных мест указывает на наблюдаемые сходства в поведении электрического поля до молнии и помогает сформулировать

общий механизм для эффективного прогнозирования молнии.Кроме того, эта исследовательская работа

станет первым шагом к формулированию стандартной модели характеристик атмосферного электрического поля

до

до удара молнии для других систем исследований и раннего предупреждения.

Благодарность

Обсерватория Соннблик, Gemeinde за предоставленную нам возможность использовать

Измерения атмосферного электрического поля с их объектов и постоянную поддержку, предоставленную во время аналитического исследования

полевых данных, независимо от языковых и национальных различий.

Национальный центр исследований в области наук о Земле (NCESS),

Тривандрам за разрешение использовать измерения электрического поля.

.

Ссылки

1. Явление молнии и меры предосторожности Центр наук о Земле —

ence Studies Thiruvananthapuram — 695031.

2.M.A.S.Ferro, J.Yamasaki, D. Р. М. Пиментель, К. П. Наккарато,

и М.М.Ф. Саба, «Предупреждения об опасности молний на основе измерений атмосферного электрического поля в Бразилии», J.Aerosp.Tech-

нол. Manag., Vol.3, No. 3, pp. 301-310, 2011.

3.K.Mehranzamir, B.Salimi, Z.Abdul-Malek, “Investiga-

ti on of prel imina ry b разрабатывать импульсы в световых формах

”, в Proceedings of the Progress in Electromagnet-

ics Research Symposium, стр. 1542–1546, Стокгольм, Швеция-

den, апрель 2013 г.

4. Гжегож Карнас, Гржегорз Массловск и, Пиотр

Барански, «Анализ плотности спектра мощности внутриоблачных

компонентов разряда молнии из записей электрического поля

в Польше», В трудах 33-го Международная конференция по защите от молний

(ICLP), pp1-6, DOI: 10.1109 / ICLP.

2016. 7791383.

5. Гурурадж С. Пунекар и Чандрасекаран Кандасами, «Инди-

, прямые эффекты разрядов молнии», сербский журнал электротехники

trical Engineering Vol. 8, No. 3, ноябрь 2011 г., 245-262

245.

6. Уильям Х. Бизли, Меган. М. Ленджил, Леон. Г.

Байерли, Эдвард. Р. Мэнселл, Р. Ярземски Дж., В. Конвей

М. и Д. Эйлтс, «О необходимости в измерителях электрического поля для поддержки

критически важных проблем — предупреждение о принятии решений по процессам

», Конференция по метеорологическим приложениям данных о молниях

, стр. 1.13 января 2005 г.

7. Т. Датта и А.Б. Бхаттачарья, «Атмосферное электрическое поле

в связи с серьезными метеорологическими возмущениями», Indian Jour-

nal of Radio & Space Physics, Vol. 33, декабрь 2004 г., стр.

373-379.

8.Й Чжу, Раков В.А., Маллик, С., Тран М.Д., Пилки Дж. И Умань

М.А., Предварительные последовательности импульсов пробоя в электрическом поле

записи отрицательного отношения облака к нулю. наземная молния », В трудах

XV Международной конференции по электричеству атмосферы —

ty, Норман, штат Оклахома, США, 15–20 июня 2014 г.

9. Даньял. Петерсен и Уильям Бизли, «Высокоскоростное видео

Наблюдения за предварительной фазой пробоя отрицательной вспышки молнии облако-земля», XV Международная конференция

по атмосферному электричеству, 15-20 июня 2014 г.,

Норман, Оклахома, США

10. Эдвин В. Шимански и У. Дэвид Раст, «Предварительные

наблюдений радиолокационных эхосигналов молний и одновременных изменений электрического поля

», Geo.Письма о физических исследованиях, том 6, выпуск

6, стр. 527-530.

11. С. Яросси, М. Поскольери, К. Рафанелли, Д. Франческинис,

А. Рондини, М. Магги и А. Дамико… «Измерение атмосферного электрического поля

», лекционные заметки в Электротехника —

neering 91 (3): 175-179, январь 2011.

12.H. Bloemink, «Измерения статического электричества для молний

предупреждений; исследование», De Bilt, 2013 | Внутренний отчет, IR

1 января 2013 г.

13.Хилл Д.А., Канда М. (1999) «Напряженность электрического поля». CRC

Press LLC, Бока-Ратон.

14. Сингх А.К. (2011). «Электродинамическая связь атмосферы и ионосферы

Земли: Обзор». Международный

Журнал геофизики. 2011: Идентификатор статьи 971302. doi:

10.1155 / 2011/971302. Проверено 30 мая 2014 г.

B2: The Electric Field — Description and Effect

Электрическое поле — это невидимая сущность, которая существует в области вокруг заряженной частицы.Это вызвано наличием заряженной частицы. Воздействие электрического поля заключается в приложении силы к любой заряженной частице (кроме заряженной частицы, вызывающей электрическое поле), которая оказывается в точке пространства, в которой существует электрическое поле. Электрическое поле в пустой точке пространства — это сила на заряд потенциальной жертвы в этой пустой точке пространства. Заряженная частица, вызывающая электрическое поле, называется зарядом источника. Электрическое поле существует в области вокруг источника заряда независимо от того, есть ли заряженная частица жертвы, на которую электрическое поле воздействует.В каждой точке пространства, где существует электрическое поле, оно имеет как величину, так и направление. Следовательно, электрическое поле — это вектор в каждой точке пространства, в которой оно существует. Мы называем вектор силы на заряд потенциальной жертвы в определенной точке пространства «электрическим полем» в этой точке. Мы также называем бесконечный набор всех таких векторов в области вокруг заряда источника электрическим полем заряда источника. Мы используем символ \ (\ vec {E} \) для обозначения электрического поля. Я использую слово «жертва» для любой частицы, на которую действует электрическое поле.Электрическое поле будет воздействовать на частицу только в том случае, если эта частица имеет заряд. Итак, все «жертвы» электрического поля имеют заряд. Если в электрическом поле действительно находится заряженная частица, то эта заряженная частица (жертва) испытывает силу

\ [\ vec {F} = q \ vec {E} \ label {Efield} \]

где \ (q \) — заряд жертвы, а \ (\ vec {E} \) — вектор электрического поля в месте нахождения жертвы. Мы можем рассматривать электрическое поле как характеристику пространства.Сила, испытываемая заряженной частицей жертвы, является продуктом характеристики жертвы (ее заряда) и характеристики точки в пространстве (электрического поля), в которой жертва оказывается.

Электрическое поле не имеет значения. Это не «вещи». Это бесплатно. Это бесплатно. Он не притягивает и не отталкивает заряженные частицы. Он не может этого сделать, потому что его «жертвы», заряженные частицы, на которые действует электрическое поле, находятся внутри него. Сказать, что электрическое поле притягивает или отталкивает заряженную частицу, было бы аналогично утверждению, что вода в океане притягивает или отталкивает подводную лодку, погруженную в океан.Да, океанская вода оказывает на подводную лодку подъемную силу. Но он не привлекает и не отталкивает подводную лодку. Точно так же электрическое поле никогда не притягивает и не отталкивает заряженные частицы. Нонсенс утверждать, что это так.

Если у вас есть две исходные частицы заряда, например один в точке \ (A \), а другой в точке \ (B \), каждый из которых создает свой собственный вектор электрического поля в одной и той же точке \ (P \), фактический вектор электрического поля в точке \ (P \) равен векторная сумма двух векторов электрического поля.Если у вас есть множество заряженных частиц, вносящих вклад в электрическое поле в точке \ (P \), электрическое поле в точке \ (P \) представляет собой векторную сумму всех векторов электрического поля в точке \ (P \). Таким образом, с помощью множества распределений заряда источника можно создать большое разнообразие наборов векторов электрического поля в некоторой выбранной области пространства. В следующей главе мы обсудим связь между исходными зарядами, вызывающими электрическое поле, и самим электрическим полем. В этой главе мы сосредотачиваем наше внимание на связи между существующим электрическим полем (не заботясь о том, как оно возникло) и влиянием этого электрического поля на любую заряженную частицу в электрическом поле.Для этого важно, чтобы вы могли принять данное электрическое поле, как указано, не беспокоясь о том, как электрическое поле возникает в определенной области пространства. (Последнее является важной темой, которой мы подробно рассмотрим в следующей главе.)

Предположим, например, что в определенной точке пустой области пространства, назовем ее точкой \ (P \), существует направленное на восток электрическое поле величиной \ (0,32 Н / Кл \). Помните, изначально мы говорим об электрическом поле в пустой точке пространства.Теперь представим, что мы поместили частицу с зарядом \ (+ 2,0 \) кулонов в точку \ (P \). Электрическое поле в точке \ (P \) будет воздействовать на нашу жертву \ (2,0 C \):

\ [\ vec {F} = q \ vec {E} \]

\ [\ vec {F} = 2,0 ° C (0,32 \ frac {N} {C} \, \ mbox {на восток}) \]

Обратите внимание, что мы имеем дело с векторами, поэтому мы включили и величину, и направление при замене на \ (\ vec {E} \). Вычислив произведение в правой части уравнения и включив направление в наш окончательный ответ, получим:

\ [\ vec {F} = 0.64N \ space \ mbox {восток} \]

Мы видим, что сила направлена ​​в том же направлении, что и электрическое поле. В самом деле, я хочу сказать здесь о направлении электрического поля: электрическое поле в любом месте определяется как направление силы, которую электрическое поле оказывало бы на положительно заряженную жертву, если бы была положительно заряженная жертва. обвиняемый потерпевший в этом месте.

Когда вам сказали, что в данной пустой области пространства есть электрическое поле, и попросили определить его направление в различных точках пространства, в которых существует электричество, вы должны поместить по одной положительно заряженной частице в каждую из по очереди в разных точках области и выясните, в какую сторону направлена ​​сила, которую частица испытывает в каждом месте.Такая положительно заряженная частица называется положительным тестовым зарядом. В каждом месте, где вы его размещаете, направление силы, испытываемой положительным испытательным зарядом, является направлением электрического поля в этом месте.

Определив, что электрическое поле направлено в направлении силы, которую оно будет оказывать на положительный испытательный заряд, что это означает для случая отрицательного испытательного заряда? Предположим, что в примере с пустой точкой в ​​пространстве, в которой существовало электрическое поле \ (0,32 Н / Кл \), направленное на восток, мы помещаем частицу с зарядом \ (- 2.0 \) кулонов (вместо \ (+ 2.0 \) кулонов, как мы делали раньше). Эта частица будет испытывать силу:

\ [\ begin {align} \ vec {F} & = q \ vec {E} \\ [5pt] & = — 2,0 C \ space (0,32 \ frac {N} {C} \, \ mbox {на восток} ) \\ [5pt] & = -0,64N \, \ mbox {на восток} \ end {align} \]

Отрицательная сила, направленная на восток, — это положительная сила, направленная на запад той же величины:

\ [\ vec {F} = 0,64N \, \ mbox {запад} \]

Фактически, каждый раз, когда частица-жертва имеет отрицательный заряд, знак минус в значении заряда \ (q \) в уравнении \ ref {Efield} заставляет вектор силы иметь направление, противоположное направлению вектора силы. вектор электрического поля.Таким образом, сила, оказываемая электрическим полем на отрицательно заряженную частицу, которая находится в любом месте этого поля, всегда направлена ​​прямо противоположно направлению самого электрического поля в этом месте.

Давайте исследуем бизнес этого направления на примере случаев, когда направление задается в единицах единичных векторов. Предположим, что декартова система отсчета была установлена ​​в пустой области пространства, в которой есть электрическое поле. Далее предположим, что электрическое поле в определенной точке, назовем ее точкой \ (P \), равно:

\ [\ vec {E} = 5.{-16} N \) и направление \ (- \ hat {k} \). Последнее означает, что сила направлена ​​в направлении –z, которое противоположно направлению электрического поля. Опять же, это как и ожидалось.

Сила, действующая на отрицательно заряженную частицу со стороны электрического поля, всегда имеет направление, противоположное направлению самого электрического поля.

В контексте электрического поля как совокупности всех векторов электрического поля в области пространства, простейшим видом электрического поля является однородное электрическое поле.Однородное электрическое поле — это такое, в котором каждый вектор электрического поля имеет одну и ту же величину и одно и то же направление. Итак, у нас есть бесконечный набор векторов электрического поля, по одному в каждой точке области пространства, где, как говорят, существует однородное электрическое поле, и каждый из них имеет ту же величину и направление, что и любой другой. Жертва заряженной частицы, которая либо выпущена из состояния покоя в таком электрическом поле, либо запущена с некоторой начальной скоростью в таком поле, будет иметь одну и ту же силу, действующую на нее, независимо от того, где она находится в электрическом поле.По закону Ньютона 2 ^nd это означает, что частица будет испытывать постоянное ускорение. Если частица выходит из состояния покоя, или, если начальная скорость частицы находится в том же направлении, что и электрическое поле, или в точном противоположном направлении по отношению к электрическому полю, частица будет испытывать постоянное ускоренное движение в одном измерении. Если начальная скорость частицы находится в направлении, не коллинеарном электрическому полю, то частица будет испытывать постоянное ускоренное движение в двух измерениях.Читателю следует ознакомиться с этими темами из «Физики на основе вычислений» I.

.

Диаграммы электрического поля

Рассмотрим область в пространстве, в которой есть однородное поле, направленное на восток. Предположим, мы хотим изобразить эту ситуацию, если смотреть сверху, на диаграмме. В каждой точке области пространства, где существует электрическое поле, есть вектор электрического поля. Поскольку электрическое поле однородно, все векторы имеют одинаковую величину, и, следовательно, мы бы нарисовали все стрелки, представляющие векторы электрического поля, одинаковой длины.Поскольку поле однородно и ориентировано на восток, мы бы нарисовали все стрелки так, чтобы они указывали на восток. Проблема в том, что по-человечески невозможно нарисовать стрелку в каждой точке области страницы, используемой для изображения области пространства, в которой есть электрическое поле. Другая трудность состоит в том, что при использовании соглашения о том, что длина вектора является репрезентативной для его величины, стрелки имеют тенденцию заходить друг на друга и перекрываться.

Физики приняли набор условных обозначений для изображения электрических полей.Результат применения условных обозначений известен как диаграмма электрического поля . В соответствии с соглашением, выдвижной ящик создает набор кривых или линий со стрелками, так что в каждой точке каждой кривой электрическое поле в каждой точке кривой направлено по касательной к кривой в согласованном направлении. с тем, что изображено стрелкой на этой кривой. Кроме того, расстояние между линиями в одной области диаграммы по сравнению с другими областями диаграммы представляет величину электрического поля относительно величины в других местах той же диаграммы.Чем ближе линии, тем сильнее электрическое поле, которое они представляют. В случае рассматриваемого однородного электрического поля, поскольку величина электрического поля везде одинакова (что мы подразумеваем под «однородным»), расстояние между линиями должно быть одинаковым везде. Кроме того, поскольку электрическое поле в этом примере имеет одно направление, а именно восточное, силовые линии электрического поля будут прямыми линиями со стрелками.

Авторы и авторство

.