Site Loader

Содержание

Урок физики в 9-м классе «Электромагнитное поле»

Цели урока:

образовательные: изучить новое понятие “электромагнитное поле”; повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений.
воспитательные: воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету.
развивающие: развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Оборудование: проводник с током и магнитная стрелка для проведения опыта Эрстеда; катушка, соединённая с гальванометром, постоянный магнит для демонстрации явления электромагнитной индукции.

Ход урока.

Организационный момент.

Цели нашего сегодняшнего урока : во-первых, повторить и обобщить знания по теме “Магнитное поле”, а во-вторых, познакомиться с новым видом материи – электромагнитным полем, определить условия его возникновения в пространстве. Электромагнитное поле играет важную роль в нашей жизни.

Повторение ранее пройденного учебного материала.

Приготовились к устному опросу:

Как в пространстве создаётся электрическое поле?

Чем в пространстве порождается магнитное поле?

Как его можно изобразить графически?

Перечислите основные свойства силовых линий?

Какое поле называется однородным, какое неоднородным?

Сформулируйте правило правой руки, правило левой руки.

Как рассчитать модуль вектора магнитной индукции?

Зависит ли он от силы тока, длины проводника, силы, действующей на проводник ?

Какое направление имеет вектор магнитной индукции?

В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?

А теперь выполним несколько упражнений. Откройте, пожалуйста, тетради, запишите сегодняшнее число, Классная работа.

На доске и на листочках, лежащих перед вами приведены четыре задания.

Определить полюсы постоянного магнита и изобразить линии магнитной индукции поля (рис. 1).

Показать направление силовых линий магнитного поля рамки с током (рис. 2).

В магнитное поле внесены 4 проводника с током. Каково направление силы, действующей на каждый проводник (рис. 3).

Определить знак заряда частицы (рис.4).

Молодцы ребята! Вы хорошо усвоили материал. Переходим к изучению новой темы. Запишите, пожалуйста, тему урока “ Электромагнитное поле”.

 Объяснение нового материала.

Ребята, мы повторили с вами электрическое и магнитное поля, и на примерах убедились, что они неразрывно связаны. В 8 классе вы узнали, что электрический ток порождает магнитное поле: в 1820 году Эрстед провел следующий опыт (опыт Эрстеда, магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током). А в этом году вы познакомились с явлением электромагнитной индукции, открытое

29 августа 1831года Фарадеем, выяснили, что магнитное поле само способно порождать электрический ток (показываю опыт Фарадея, рис. 125, 126 [1]).

В этом же году в Англии родился Джеймс Клерк Максвелл, который сделал важнейшее научное открытие. Оно позволило более глубоко понять сущность явления электромагнитной индукции.

Давайте вспомним, что такое электрический ток? (Ребята отвечают) Правильно – это направленное движение заряженных частиц под действием электрического поля. Получается, что в опытах Фарадея изменяющееся магнитное поле создает именно электрическое поле, под действием которого и возникает индукционный ток, а замкнутый проводник лишь индикатор, позволяющий обнаружить поле.

К такому выводу пришел Максвелл в 1865 году. Он теоретически доказал, что

Любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле.

Отсюда следует вывод:

Порождающие друг друга изменяющиеся электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле.

Запишем это в тетрадях.

Важно понять, что это не совокупность электрического и магнитного полей, а единое целое, они не могут существовать друг без друга.

Как создать в пространстве электромагнитное поле?

Движущимся постоянным магнитом, изменяющимся во времени магнитным полем. Вокруг зарядов, движущихся с постоянной скоростью (например, вокруг проводника с постоянным током) создается постоянное магнитное поле. Но если электрические заряды движутся с ускорением, например, колеблются, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется. Изменяющееся во времени электрическое поле создает в пространстве переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создает меняющееся электрическое и т.д. Запишем:

Источниками электромагнитного поля могут быть:

движущийся магнит;
электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся.

Действительно, электрическое и магнитное поля возникают вокруг электрических зарядов, причем электрическое поле существует всегда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой заряды движутся, а электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой заряды движутся с ускорением.

Переменное электрическое поле называется вихревым, его силовые линии замкнуты, подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от

электростатического поля, которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Более подробно мы изучим эти понятия в 10–11 классах.

Электромагнитное поле может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн. Обнаружить их удалось лишь в 1886 году, спустя 22 года после открытия Максвелла, уже после его смерти (1879), немецкому физику Генриху Герцу. Опыты Герца блестяще подтвердили предсказания Максвелла.

Закрепление пройденного материала.

Ваши вопросы по теме? Тогда давайте повторим:

Кем и когда была создана теория электромагнитного поля и в чём заключалась её суть?

Что служит источником электромагнитного поля ?

Чем отличается вихревое электрическое поле от электростатического?

Теперь снова вернёмся к нашим листочкам и решим несколько качественных задач.

Заряженное тело покоится относительно неподвижного стола. Учитель равномерно и прямолинейно движется относительно стола. Можно ли обнаружить постоянное магнитное поле в системе отсчета, связанной с учителем?

Какое поле возникает вокруг электрона, если он: покоится; движется с постоянной скоростью; движется с ускорением?

В электронной пушке создаётся поток равномерно движущихся электронов. Можно ли обнаружить магнитное поле в системе отсчёта, связанной с одним из движущихся электронов?

Пластмассовую расчёску потёрли о ткань, и она зарядилась статическим электричеством. Какое поле можно обнаружить вокруг неподвижной расчёски? Вокруг движущейся?

Постоянный магнит покоится на столе. Какое поле можно обнаружить в системе отсчёта, связанной с Землёй? с Солнцем?

Заключение.

На сегодняшнем уроке вы познакомились с новым видом материи – электромагнитным полем, узнали, какими способами можно создать его в пространстве. Выяснили, чем отличаются вихревое электрическое и электростатическое поля. Закрепили пройденный материал, ответив на ряд вопросов и решив несколько задач.

Записываем домашнее задание:

§ 51, вопросы к нему, упражнение.[1].

Подведем итоги урока:

Что мы узнали нового на уроке?

Понятие электромагнитного поля.

Источники электромагнитного поля.

Вихревое электрическое и электростатическое поля.

Оценки за урок.

Урок окончен, до свидания.

Список литературы:

1. Пёрышкин А.В. Физика. 9 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

Теория электромагнитного поля — урок. Физика, 9 класс.

В \(1820\) году Х. Эрстед провёл опыт, доказывающий, что электрический ток порождает магнитное поле. Фарадей своими опытами доказал, что всякое изменение во времени магнитного поля порождает переменный индукционный ток в замкнутом проводнике. Но электрический ток возникает только при наличии электрического поля.

 

Появилось много вопросов:

 

• имеют ли различия поля, которые созданы подвижным и покоящимся электрическими зарядами?
• Существует ли поле исключительно в проводнике или возникает и в пространстве вокруг него?
• Имеет ли значение замкнутый проводник, по которому течёт ток, для возникновения поля?


Английский физик и математик шотландского происхождения Джеймс Клерк Максвелл в \(1865\) году смог ответить на данные вопросы, когда создал теорию электромагнитного поля. Учёный изложил теорию в своём основном труде «Трактат по электричеству и магнетизму».

 

Рисунок \(1\). Джеймс Клерк Максвелл

 

Теория Максвелла объясняла появление индукционного тока в контуре под воздействием изменяющегося магнитного потока, пронизывающего его. Переменное магнитное поле порождало вихревое электрическое поле, которое и заставляло упорядоченно двигаться в одном направлении свободные заряды, имеющиеся в проводнике. Наличие электрического тока фиксировалось гальванометром. Таким образом, проводник являлся индикатором, который позволил обнаружить наличие электрического поля.

 

Обрати внимание!

Электрическое поле существует в пространстве независимо от наличия проводника.

Вокруг неподвижного заряда создаётся только электрическое поле. Но заряд, находящийся в покое относительно одной системы, может находиться в движении относительно других систем, и значит, порождать магнитное поле.

 

Если магнит лежит на столе, то вокруг него возникает только магнитное поле. Но наблюдатель, движущийся относительно стола, зафиксирует и электрическое поле.
 
Поэтому утверждение о существовании электрического или магнитного полей в заданной точке имеет смысл только при указании системы отсчёта, относительно которой они рассматриваются. Оба поля являются проявлением единого электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — это совокупность неразрывно связанных между собой переменных электрического и магнитного полей.

Источники:

Рисунок 1. Джеймс Клерк Максвелл

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/57/James_Clerk_Maxwell.png/274px-James_Clerk_Maxwell.png

Электрическое поле — способы его описания и вектор напряженности

Если снять шерстяной свитер в сухую погоду, мы услышим треск. А если снимать свитер в темноте, иногда можно даже заметить искорки электрических разрядов.

Если расчесывать в сухую погоду сухие волосы пластмассовой расческой, то происходит ее электризация трением. Наэлектризованная расческа получит заряд и сможет притягивать небольшие кусочки бумаги.

Проделывая опыт с расческой и сухими волосами, можно убедиться, что наэлектризованные волосы и расческа буду притягиваться. Мы наблюдаем притяжение, значит, волосы и расческа обладают противоположными зарядами. Приближая расческу к волосам, обнаружим, что притяжение между ними возрастает.

Рис. 1. Наэлектризованные предметы обладают способностью притягивать небольшие тела, находящиеся на некотором расстоянии

Этот опыт позволил убедиться, что заряды действуют друг на друга на расстоянии. Чем ближе заряды находятся, тем сильнее их взаимное действие друг на друга.

Из механики известно, что существует ударное взаимодействие тел, когда, например, один бильярдный шар ударяется о другой такой же шар. В школьной физике рассматривают два вида ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удар.

Существует, так же, безударное взаимное действие тел – их притяжение, или отталкивание. К примеру, в механике, силу притяжения между телами, имеющими массу, вычисляют с помощью закона всемирного тяготения.

А силу взаимодействия электрических зарядов описывает закон Кулона.

Взаимодействие зарядов передается без участия вещества

Заряды будут притягиваться и отталкиваться не только в воздухе, но, даже в безвоздушном пространстве. В этом легко убедиться, если поместить заряженный электроскоп под колокол и откачать из-под колокола воздух. Полоски бумаги, имеющие одинаковые заряды, все так же, продолжат отталкиваться, независимо от того, в воздухе ли они находятся, либо в безвоздушном пространстве.

Рис. 2. Для передачи взаимного действия зарядов вещество не нужно, так как это взаимодействие передается не через вещество

Это значит, что передача взаимодействия зарядов происходит не через вещество.

Ученые из Англии – Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл, долгое время изучали электрические заряды. Они выяснили, что заряды окружены особым видом материи, которую они назвали электрическим полем.

Любой заряд окружен электрическим полем — особым видом материи.

Теории дальнодействия и близкодействия

Физики выдвигали различные теории, пытаясь объяснить взаимодействие зарядов. Наибольшее распространение получили две – их называют теориями близкодействия и дальнодействия.

Дальнодействие

Теория дальнодействия сообщает, что один заряд действует на другой заряд непосредственно. То есть, чтобы передать действие одного заряда на другой, посредники не нужны.

Кроме того, взаимодействие происходит мгновенно на любых расстояниях. Это значит, что если убрать один из взаимодействующих зарядов, то его действие на оставшийся заряд прекратится мгновенно.

Близкодействие

В противоположность этой теории Майкл Фарадей предложил свою теорию близкодействия.

Эта теория заявляет о том, что непосредственно действовать друг на друга заряды не могут. То есть, для передачи своего воздействия заряду нужна некоторый помощник. И каждый заряд создает в пространстве вокруг себя этого помощника. Фарадей назвал его электрическим полем.

На другие заряды будет действовать не сам заряд, а поле, созданное этим зарядом. Такое поле распространяется в пространстве не мгновенно, а с конечной скоростью.

Примечание: Как выяснилось позже, это очень большая скорость – триста тысяч километров в секунду. Ее называют скоростью света.

Поэтому, если один из взаимодействующих зарядов быстро убрать, то второй заряд узнает о его исчезновении не мгновенно, а через некоторое, пусть небольшое, время.

Получается, что взаимодействие зарядов протекает не непосредственно, а в виде цепочки. Каждый заряд создает вокруг себя поле, именно поле действует на другой заряд, помещенный в него.

А сила, действующая на заряд, расположенный в какой-либо точке пространства, зависит от характеристик поля в этой точке.

Рис. 3. Основные отличия теории дальнодействия от теории близкодействия

В настоящее время общепринятой теорией, объясняющей взаимодействие зарядов, является теория близкодействия Фарадея. Так как эта теория полностью подтвердилась экспериментально.

Примечание: Кроме электрических существуют, так же, магнитные поля. В отличие от электростатического, магнитное поле не имеет своих магнитных источников. Оно возникает в пространстве вокруг движущихся зарядов. То есть, магнитное поле – это поле электрических зарядов, находящихся в движении.

Джеймс Клерк Максвелл в середине 19-го века показал, что электрическое и магнитное поля связаны и это электромагнитное поле распространяется в пространстве с очень большой, но конечной скоростью.

Поле и вещество – это два вида материи

Мир, окружающий нас, материален. Значит, материя – это то, что существует реально, независимо от того, наблюдаем ли мы за ней, или нет.

Она может проявлять себя в виде двух частей — вещества и поля. Нас окружает вещество, а атомы и молекулы — это мельчайшие единицы вещества.

Поле – это еще один вид материи. Поле веществом не является, однако, оно существует реально.

Рис. 4. Материя состоит из двух частей — поля и вещества

Как обнаружить электрическое поле

Мы не чувствуем электрическое поле, так как у нас нет органов чувств, способных его обнаружить.

Но, используя нечто, что обладает чувствительностью к электрическому полю, можно убедиться, что поле, окружающее заряды, существует.

В качестве чувствительного элемента можно использовать любой электрический заряд. Потому, что любой заряд окружен своим собственным электрическим полем и, благодаря ему может чувствовать подобные поля, создаваемые другими зарядами. Такой заряд, используемый для обнаружения поля, физики называют пробным.

Рис. 5. Описание понятия пробного точечного заряда

Примечания:

  1. Некоторые живые существа могут чувствовать электрические поля, например, некоторые виды рыб.
  2. Электрическое поле можно обнаружить по его действию на заряды, а, так же, с помощью различных приборов.
  3. Поле заряда действует с некоторой силой на расположенный рядом другой заряд. То есть, заряды действуют друг на друга благодаря своим электрическим полям.

Мы можем обнаружить электрическое поле благодаря его действию на другие заряды. Электрическая сила — это сила, с которой поле действует на внесенный в него пробный заряд.

Примечание: Не следует путать пробный и элементарный заряд.

Две характеристики электростатического поля

Поле, окружающее неподвижные заряды, называют электростатическим полем.

Электрическое поле можно описать двумя величинами – векторной величиной — напряженностью \(\large \vec{E}\) и скалярной величиной – потенциалом \(\large \varphi \).

Рис. 6. Электрический потенциал и напряженность описывают поле зарядов

Примечание: Применяют, так же, еще одну характеристику электрического поля — вектор электрической индукции \(\large \vec{D}\).

Описываем электрическое поле с помощью вектора

Рассмотрим два неподвижных точечных электрических заряда. Один заряд обозначим большой буквой Q:

\(\large Q \left( \text{Кл}\right) \) – этот заряд создает вокруг себя электрическое поле.

Чтобы обнаружить это поле, на некотором расстоянии от заряда Q поместим еще один заряд.

\(\large r \left( \text{м}\right) \) — расстояние между зарядами.

\(\large q \left( \text{Кл}\right) \) — второй заряд, будем называть его пробным.{2}} \]

Обратите внимание, что правая часть полученного уравнения не зависит от пробного заряда. Потому, что пробный заряд, обозначенный малой буквой q, не входит в правую часть. Правая часть зависит только от заряда, создавшего поле и обозначенного большой буквой Q.

Введем обозначение для дроби, расположенной в левой части полученного уравнения:

\[\large \boxed { \vec{E} = \frac {\vec{F}}{q} } \]

\( \large \vec{E} \left( \frac {B}{\text{м}} \right) \) – напряженность электрического поля, измеряется в Вольтах, деленных на метр, или в Ньютонах, деленных на Кулон;

Напряженность электростатического поля в выбранной точке пространства – это векторная величина. Она равна отношению силы, действующей на пробный заряд, находящийся в выбранной точке поля к величине этого заряда. В различных точках поля силы могут быть разными, значит, будут различаться и напряженности в этих точках.

Чтобы найти (длину) модуль вектора E напряженности поля, создаваемого точечным зарядом, приравняем к величине E правую часть полученного выше выражения:

\[\large \boxed {|\vec{E}| = k \cdot \frac {|Q|}{r^{2}} } \]

\(\large k = 9\cdot 10^{9}  \left( H \cdot \frac{\text{м}^{2}}{\text{Кл}^{2}}\right)\) – постоянная величина;

\(\large |Q| \left( \text{Кл}\right) \) — заряд, создающий в пространстве вокруг себя электрическое поле;

\(\large r \left( \text{м}\right) \) – расстояние от заряда Q до точки, в которую мы поместили пробный заряд.

Рис. 7. Измерить напряженность поля в точке можно, используя пробный заряд

Примечание: Поле мы измеряем в той точке, в которую помещаем пробный заряд.

Напряженность – это вектор. Две главные характеристики вектора – его длина и направление.

Величина \( \large \vec{E} \) является силовой характеристикой электрического поля. Чем больше напряженность E, тем больше сила F, действующая на пробный заряд, помещенный в это поле.

\[\large \boxed { \frac {1 Н}{ 1 \text{Кл}} = \frac {1 B}{ 1 \text{м}} } \]

Если на заряд 1 Кулон, помещенный в электростатическое поле, действует сила 1 Ньютон, то напряженность этого поля равна единице.

По третьему закону Ньютона, силы, с которыми взаимодействуют два заряда, будут равными.

Каждый неподвижный заряд создает свое собственное электростатическое поле. Если заряды имеют различные величины, то напряженности их полей различаются.

Куда направлен вектор Е

Обратим в очередной раз внимание на формулу:

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

Заряд q – скалярная величина. А сила F – векторная.

Воспользуемся математическими свойствами векторов: разделив вектор F на скаляр q, мы получим новый вектор E:

  1. его длина отличается от вектора F.
  2. направления векторов F и E совпадают (либо векторы F и E направлены в противоположные стороны).

Рис. 8. Направление вектора E выбирается от положительных зарядов и в сторону отрицательных зарядов

Вектор E сонаправлен с вектором силы, действующей на помещенный в поле пробный заряд. Для положительного заряда его вектор E направлен от этого заряда. А для отрицательного заряда его вектор E направлен к этому заряду.

Примечание: Однонаправленные или противоположно направленные, то есть, параллельные векторы, называют коллинеарными. У них может отличаться длина.

Как изменяется длина вектора Е с расстоянием

Длина вектора напряженности с расстоянием быстро убывает. Об этом можно судить с помощью формулы, описывающей модуль данного вектора:

\[\large E = k \cdot \frac {Q}{r^{2}} \]

Расстояние r возводится в квадрат и расположено в знаменателе.{2}} \]

Подобную зависимость на графике можно отразить такой кривой:

Рис. 10. Модуль вектора напряженности электрического поля быстро уменьшается с увеличением расстояния до заряда

Как видно из рисунка 10, увеличение расстояния до заряда в четыре раза вызывает ослабление напряженности его поля в шестнадцать раз.

Как по известной напряженности вычислить силу, с которой поле действует на заряд

Если известна напряженность поля, то силу, которая действует на заряд, помещенный в это поле, можно вычислить по формуле:

\[\large \boxed{ \vec{E} \cdot q = \vec{F} } \]

\(\large q \left( \text{Кл}\right) \) – заряд, положительный, или отрицательный, помещенный в выбранную точку пространства, в которой существует электрическое поле;

Формула записана в векторном виде. Это значит, что она позволяет найти обе характеристики силы, действующей на заряд — направление вектора силы и его модуль.

Умножив заряд на напряженность в выбранной точке поля, можно вычислить силу, действующую на заряд со стороны поля.

Рис. 11. Направления векторов силы и напряженности совпадают для положительного заряда и направлены противоположно для отрицательного заряда

Так как напряженность входит в формулу для вычисления силы, ее называют силовой характеристикой электрического поля.

Зная силу, мы можем по второму закону Ньютона вычислить ускорение заряда. А с помощью формул кинематики для равнопеременного движения, зная ускорение, можно определить перемещение заряда или траекторию его движения.

Как изобразить электрическое поле единичного заряда

Пусть неподвижный положительный точечный заряд создает в пространстве, окружающем его, электрическое поле. Нарисуем несколько векторов напряженности этого поля.

Красной точкой на рисунке обозначен заряд. А черным цветом обозначены точки, в которые помещали пробный заряд и измеряли поле.

Рис. 12. Можно изображать поле неподвижного заряда, располагая в пространстве векторы напряженности

По длине векторов можно сделать вывод, чем ближе к заряженному телу расположен пробный заряд, тем сильнее на него действует поле. Увеличив же расстояние между заряженным телом и пробным зарядом, заметим, что действие поля уменьшится.

Поля, действие которых будет различаться в разных точка пространства, называют неоднородными. Значит, электрическое поле вокруг точечных зарядов, неоднородное.

Изображаем неоднородное электрическое поле силовыми линиями

Как видно, мы можем изобразить поле с помощью нарисованных в различных точках векторов напряженности. Однако, есть более удобный способ.

Присмотревшись к рисунку, можно заметить, что векторы напряженности, окружающие заряд, располагаются на некоторых прямых. Эти прямые обозначены пунктирными линиями на рисунке. Из называют линиями электрического поля, или линиями напряженности.

Примечание: Изображать электростатическое поле удобнее не с помощью векторов, а с помощью линий напряженности.

Если заряд единственный, а поблизости от него других зарядов нет, то его поле изображают радиально расходящимися во все стороны линиями.

Рис. 13. Набор силовых линий одиночного точечного заряда, это неоднородное поле

Линии положительных зарядов направлены от них, а линии отрицательных зарядов – к этим зарядам, так же, как векторы напряженности.

Мы помним, что вектор напряженности описывает силу, с которой поле, созданное зарядом может действовать на другие заряды. Поэтому, линии напряженности, так же, часто называют силовыми линиями поля.

Как выглядит поле двух взаимодействующих зарядов

Рассмотрим теперь поле взаимодействующих зарядов — положительного и отрицательного.

Рис. 14. Неоднородное поле двух точечных взаимодействующих зарядов

Как видно, линии взаимодействующих зарядов искривляются и, их конфигурация искажается.

Мы знаем, что поле одного точечного заряда неоднородное. Поле двух взаимодействующих зарядов, так же, неоднородное.

Теперь проведем обобщение, на рисунке неоднородное поле изображают:

  • либо прямыми линиями, радиально расходящимися во все стороны от одиночного заряда, либо
  • кривыми линиями, для взаимодействующих зарядов.

По мере удаления от зарядов расстояние между линиями будет увеличиваться. Чем дальше линии располагаются одна от другой в некоторой области пространства, тем слабее поле в этой области.

Будет ли поле действовать на заряд, расположенный между силовыми линиями

У начинающих изучать электростатику часто возникает вопрос, а будет ли на заряд, находящийся на рисунке между силовыми линиями, действовать сила с стороны электрического поля? Конечно, будет.

Не имеет значения, находится ли заряд на силовой линии на рисунке, или в пространстве между силовыми линиями. Поле существует во всех точках рассматриваемой области, поэтому на заряд будет действовать сила в любой точке поля, независимо, находится ли эта точка на силовой линии, или нет.

Примечание: Силовые линии – это всего лишь способ графического обозначения поля в некоторой области пространства. Поле существует во всех точках пространства, а не только на силовых линиях.

Свойства силовых линий электростатического поля

Можно выделить два свойства силовых линий поля, создаваемого неподвижными зарядами:

  1. Силовые линии имеют начало и конец – они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.
  2. Напряженность поля больше в той области, в которой линии располагаются гуще.

Рис. 15. Два свойства силовых линий электрического поля, созданного неподвижными зарядами

Примечание: Существует, так же, вихревое электрическое поле. Это поле не связано с неподвижными зарядами. Его линии замкнуты сами на себя. Картина такого поля представляет собой нечто похожее на вихрь, отсюда и появилось его название. Подробнее о вихревом электрическом поле написано в статье, посвященной электромагнитным волнам.

Поле сильней там, где его линии располагаются ближе одна к другой, а так же там, где длиннее вектор Е.

Где заканчиваются линии единственного заряда

Линии электростатического поля, начавшись на положительном заряде, должны закончиться на каком-либо отрицательном заряде.

Если поблизости от какого-либо заряда не располагается второй заряд, имеющий противоположный знак, то линии поля такого одинокого заряда уходят в бесконечность.

Там, далеко, на бесконечности, всегда найдется заряд, имеющий противоположный знак, на котором будут заканчиваться линии рассматриваемого одиночного заряда.

Рис. 16. Если заряд единичный и поблизости других зарядов противоположного знака нет, то силовые линии его уходят в бесконечность и там заканчиваются на противоположном заряде

Почему заряды называют источниками электрического поля

Электростатическое поле имеет свои электрические источники.

Нам известно, что линии электростатического поля имеют начало и конец. Они начинаются на положительных зарядах, а на отрицательных зарядах заканчиваются.

Поэтому, положительные заряды называют источниками поля, а отрицательные – стоками.

Рис. 17. Электрические заряды называют источниками электростатического поля

Как изобразить однородное электрическое поле

Если равномерно распределить заряды по двум плоским поверхностям, расположив эти поверхности на некотором расстоянии параллельно, то в пространстве между этими поверхностями электрическое поле будет однородным.

Примечание: Система из двух параллельных проводящих поверхностей, расположенных на некотором расстоянии одна от другой, называют электрическим конденсатором.

Однородное поле на рисунке изображают параллельными прямыми линиями, расстояние между которыми не изменяется.

Такие поля можно создать только в некоторой ограниченной области пространства. Их удобно изучать, потому, что в любой точке такого поля вектор напряженности будет иметь одно и то же направление и длину.

Рис. 18. Поле, расположенное в пространстве между двух заряженных плоскостей, будет однородным

Если во всех точках пространства, в которых существует электрическое поле, вектор напряженности имеет одинаковое направление и длину, то это поле называют однородным.

Примечание: Если говорить начистоту, то у концов плоских поверхностей линии поля будут искривляться. Это значит, что у краев поле не будет однородным.

Поэтому, для создания однородного электрического поля в учебной литературе рассматривают абстрактные бесконечно протяженные плоскости.

Читайте отдельную статью том, как обозначают распределенные заряды (откроется в новой вкладке).

Связь между векторами E неоднородного поля и линиями напряженности

Рассмотрим еще раз рисунок, на котором изображено поле двух взаимодействующих зарядов. Выберем на нем одну силовую линию. Вычислим длины нескольких векторов E и нарисуем их в выбранных точках, расположенных на этой линии.

Рис. 19. Силовая линия двух притягивающихся точечных зарядов и векторы напряженности в нескольких точках этой линии

Если через каждый вектор напряженности провести прямую линию, можно заметить, что эти линии образуют семейство касательных. Такие касательные прямые линии ограничивают собой кривую. Эта кривая и будет являться силовой линией.

Теперь можно дать определение силовых линий:

Силовая линия электростатического поля – это линия, касательная к которой в любой выбранной точке будет сонаправлена с вектором напряженности электрического поля в этой же точке.

В отдельной статье будет рассказано о работе электрического поля и еще одной его характеристике — потенциале.

Электростатическое поле, напряженность и электростатический диполь

Электрическое поле, которое окружает заряд, это реальность, независящая от нашего желания что-либо изменить и как-то повлиять на это. Отсюда можно сделать вывод, что электрическое поле является одной из форм существования материи, так же как и вещество.

Электрическое поле зарядов, находящихся в состоянии покоя, называют электростатическим. Чтобы обнаружить электростатическое поле определенного заряда нужно внести в его поле другой заряд, на который будет действовать определенная сила в соответствии с законом Кулона. Однако без наличия второго заряда электростатическое поле первого заряда существует, но никак себя не проявляет.

Напряженностью Е характеризуют электростатическое поле. Напряженность в некоторой точке электрического поля – физическая величина, которая равна силе, действующей на помещенный в определенную точку поля единичный положительный покоящийся заряд, и направленная в сторону действия силы.

Если в электрическое поле, создаваемое  зарядом q, внести «пробный» положительный точечный заряд qпр, то по закону Кулона на него будет действовать сила:

Если в одну точку поля помещать различные пробные заряды q/пр,  q//пр и так далее, то на каждый из них будут действовать различные силы, пропорциональные величине заряда. Отношение F/qпр для всех зарядов, вносимых в поле, будет идентичным, а также будет зависеть лишь от q и r, определяющих электрическое поле в данной точке. Данную величину можно выразить формулой:

Если предположить, что qпр = 1, то E = F. Отсюда делаем вывод, что напряженность электрического поля является его силовой характеристикой. Из формулы (2) с учетом выражения кулоновской силы (1) следует:

Из формулы (2) видно, что за единицу напряженности принимается напряженность в определенной точке поля, где на единицу заряда будет действовать единица силы. Поэтому в системе СГС единицей напряженности является дин/СГСq, а в системе СИ будет Н/Кл. Соотношение между приведенными единицами называют абсолютной электростатической единицей напряженности (СГСЕ):

Вектор напряженности направлен от заряда вдоль радиуса при образующем поле положительном заряде q+, а при отрицательном – q – по направлению к заряду вдоль радиуса.

Если электрическое поле образовано несколькими зарядами, то силы, которые будут действовать на пробный заряд, складываются по правилу сложения векторов. Поэтому напряженность системы, состоящей из нескольких зарядов, в данной точке поля будет равна векторной сумме напряженностей каждого заряда в отдельности:

Данное явление носит название принцип суперпозиции (наложения) электрических полей.

Напряженность в любой точке электрического поля двух точечных зарядов – q2 и +q1 можно найти использовав принцип суперпозиции:

По правилу параллелограмма будет происходить сложение векторов Е1 и Е2. Направление результирующего вектора Е определяется построением, а его абсолютная величина может быть вычислена с использованием формулы ниже:

Где α – угол между векторами Е1 и Е2.

Давайте рассмотрим электрическое поле, которое создает диполь. Электрический диполь – это система равных по величине (q = q1 = q2), но противоположных по знаку зарядов, расстояние между которыми очень мало, если сравнивать с расстоянием до рассматриваемых точек электрического поля.

Электрический дипольный момент p, являющийся основной характеристикой диполя и определяемый как вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, и равный произведению плеча диполя l на заряд q:

Также вектором является плечо диполя l, направленным от отрицательного заряда к положительному, и определяет расстояние между зарядами. Линия, которая проходит через оба заряда, носит название – ось диполя.

Давайте определим напряженность электрического поля в точке, которая лежит на оси диполя по середине (рисунок ниже а)):

В точке В напряженность Е будет равна векторной сумме напряженностей Е/ и Е//, которые создаются положительными и отрицательными зарядами но отдельности. Между зарядами –q и +q векторы напряженностей Е/ и Е// направлены в одну сторону, поэтому по абсолютной величине результирующая напряженность Е будет равна их сумме.

Если же нам необходимо найти Е в точке A, лежащей на продолжении оси диполя, то в разные стороны будут направлены вектора Е/ и Е//, соответственно по абсолютной величине результирующая напряженность будет равна их разности:

Где r – расстояние между точкой, которая лежит на оси диполя и в которой происходит определение напряженности, и средней точкой диполя.

В случае r>>l, величиной (l/2) в знаменателе можно пренебречь, тогда получим следующее соотношение:

Где p – момент электрический диполя.

Данная формула в системе СГС примет вид:

Теперь нужно вычислить напряженность электрического поля в точке С (рисунок выше б)), лежащей на перпендикуляре, восстановленном из средней точки диполя.

Так как r1 = r2, то будет иметь место равенство:

В точке С вектор результирующей напряженности по абсолютной величине будет равен:

Так как r>>l, то можно считать r1 ≈ r, тогда представленную выше формулу можно записать в другом виде:

Напряженность диполя в произвольной точке можно определить по формуле:

Где α – угол между плечом диполя l и радиус-вектором r, r – расстояние от точки, в которой определяется напряженность поля, до центра диполя, р – электрический момент диполя.

Пример

На расстоянии R = 0,06 м друг от друга находятся два одинаковых точечных заряда q1 = q2 = 10-6 Кл (рисунок ниже):

Необходимо определить напряженность электрического поля в точке А, которая расположена на перпендикуляре, восстановленном в центре отрезка, который соединяет заряды, на расстоянии h = 4 см от этого отрезка. Также нужно определить напряженность и в точке В, находящейся на середине отрезка,  который соединяет заряды.

Решение

По принципу суперпозиции (наложением полей) определяется напряженность поля Е. Таким образом, векторной (геометрической) суммой определяется Е, создаваемых каждым зарядом в отдельности: Е = Е1 + Е2.

Напряженность электрического поля первого точечного заряда равна:

Где q1 и q2 – заряды, образующие электрическое поле; r – расстояние от точки, в которой вычисляется напряженность, до заряда; ε0 – электрическая постоянная; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Для определения напряженности в точке В сначала нужно построить векторы напряженности электрических полей от каждого заряда. Поскольку заряды положительны, то векторы Е/ и Е// будут направлены от точки В в разные стороны. По условию q1 = q2:

Это значит, что в средине отрезка напряженность поля равна нулю.

В точке А необходимо произвести геометрическое сложение векторов Е1 и Е2. В точке А напряженность будет равна:

 

Электрическое и магнитное поля. Источники этих полей и индикаторы для их обнаружения

Электрическое и магнитное поля. Источники этих полей и индикаторы для их обнаружения


Пространство, окружающее наэлектризованное тело, отличается от пространства, находящегося вокруг ненаэлектризованных тел. Иначе говоря, с каждым зарядом обязательно связано электрическое поле, которое непосредственно действует с некоторой силой на все остальные заряды. Электрическое поле материально. Оно может быть обнаружено по его воздействию на заряженные тела. Это подтверждается следующим (одним из многочисленных) опытом. Если заряженной палочкой прикоснуться к подвешенной на нити гильзе (из металлической фольги), то она оттолкнется. Чем ближе гильза к палочке, тем с большей силой действует на нее электрическое поле палочки. Следовательно, вблизи заряженных тел действие поля сильнее, а при удалении от них поле ослабевает. Электрическое поле исследуют с помощью пробного заряда, находящегося на шарике малых размеров.

Магнитное поле проявляется около постоянных магнитов и проводников, по которым идет электрический ток. Широко распространенным индикатором магнитного поля является магнитная стрелка (компас). С помощью этого индикатора можно обна­ружить, что разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются. Это вза­имодействие описывается по схеме: магнит — поле — магнит. Иначе говоря, вокруг магнита су­ществует магнитное поле, которое действует на другие магниты, в частности на магнитные стрелки или намагничивающиеся частицы железа. Как и электрическое поле, магнитное поле материально. Электрические и магнитные поля играют исключительно важную роль в природе и технике.

Электрические поля проявляют себя в атмосферном электричестве (интенсивно во время грозы), магнитные — во многих космических явлениях. В технике электрические поля используются при покраске изделий и в фильтрах, магнитные — в электромагнитах, электрических генераторах и двигателях.


Как определить напряженность электрического поля

Прежде чем выяснять, как определить напряженность электрического поля, нужно обязательно понять суть этого явления.

Свойства электрического поля

В создании электрического поля участвуют подвижные и неподвижные заряды. Наличие поля проявляется в его силовом воздействии на них. Кроме того, поле способно создавать индукцию зарядов, находящихся на поверхности проводников. Когда поле создается с помощью неподвижных зарядов, его считают стационарным электрическим полем. Другое название – электростатическое поле. Является одной из разновидностей электромагнитного поля, с помощью которого происходят все силовые взаимодействия, возникающие между заряженными частицами.

В чем измеряется напряженность электрического поля

Напряженность – есть векторная величина, оказывающая силовое воздействие на заряженные частицы. Величина определяется как отношение силы, направленной с его стороны, к величине точечного пробного электрозаряда в конкретной точке этого поля. Пробный электрозаряд вносится в электрополе специально, чтобы можно было рассчитать напряженность.

Кроме теории, существуют практические способы, как определить напряженность электрического поля:

  1. В произвольном электрическом поле, необходимо взять тело, содержащее электрозаряд. Размеры этого тела должны быть меньше, чем размеры тела, с помощью которого генерируется электрическое поле.9.
  2. В конденсаторе определение напряженности начинается с измерения напряжения между его пластинами с помощью вольтметра. Далее, необходимо измерить расстояние между пластинами. Значение в вольтах делится на расстояние между пластинами в метрах. Полученный результат и будет значением напряженности электрического поля.

свойства, как создается и его применение

Электрическое поле является составляющей частью электромагнитного поля. Возникает оно вокруг заряженных тел и частиц. Этот объект невидим, но определение электрического поля можно произвести, поместив в него определенный заряд. Для установления количественного значения существует понятие напряженности. Это величина векторная и показывает, с какой силой поле воздействует на помещенный в него пробный заряд.

История появления теории

Прежде чем физически было доказано существование этого явления, специалисты разных рангов пытались теоретически обосновать его появление. Первые попытки были осуществлены в конце XVIII века, когда астроном Лагранж ввел понятие потенциала.

Этот показатель характеризовал напряженность, а фактически является работой, которую должно совершить поле для перемещения заряда из бесконечности в определенную его точку. Чуть позже Кулон вывел понятие взаимодействия между заряженными частицами, для своих опытов он использовал крутильные весы.

В начале XIX века Пуассоном была доказана связь между понятием потенциала и электромагнитным явлением. Через 7 лет были проведены эксперименты, которые показали влияние на магнитную стрелку, протекающим по проводам током.

Это доказало, что вокруг проводников создается электрическое поле с неизменяемой напряженностью. Тему в дальнейшем продолжили Ом и Фарадей. Фарадей опубликовал работы, где описывал взаимодействие разнородных полей.

Практически эта теория позже нашла применение в производстве электродвигателей. Немного спустя в расчеты физиков были введены единицы измерения магнитных и электрических полей.

Описание физического явления

Обнаружить наличие электрического поля несложно. Для этого нужно обладать заряженной частицей и поместить ее в определенное место в пространстве.

Если на нее начнет воздействовать электрическая сила, это и будет доказательством его наличия.

Свойствами поля являются:

  • невидимость;
  • способность взаимодействовать только с другими электрическими полями;
  • оно обладает векторным направлением;
  • поле может притягивать или отталкивать;
  • возникает всегда вокруг заряженных частиц;
  • концентрация;
  • неоднородность.

На заряженную частицу, помещенную в поле, с разных точек действуют силы, которые отличаются значением и направлением. Для ее определения существует силовая характеристика поля, которая называется напряженностью и обозначается латинской Е.

Величина эта равна отношению силы на заряд, с которой она действует на него в определенной точке поля. Если одновременно в поле помещается несколько зарядов, то общая сила высчитывается как геометрическая сумма всех векторов.

Виды электрических полей

Действие такого явления можно наблюдать ежедневно в бытовых условиях. Для этого можно любой диэлектрик потереть о кусок шерсти или пластмассовую расческу о свои волосы. Результатом таких действий станет создание заряда на предметах, а вокруг них появится электрическое поле.

Существуют следующие виды:

  • статическое;
  • индуктированное или вихревое;
  • стационарное;
  • магнитное.

Некоторые свойства у разных видов полей совпадают, но среди них есть и существенные различия. Например, если заряженная частица находится в неподвижном состоянии, то вокруг нее существует только статическое поле. Как только она начнет движение, то сразу появится и магнитное поле. Его сила будет возрастать с увеличением скорости заряда.

Кроме этого, во время движения магнитного появится индуктированное поле. Существует и различия между статическим и стационарным полями. Так, для поддержания стационарного состояния необходимо постоянная затрата некоторой энергии, чего не происходит со статическими полями.

Сферы применения

Некоторые свойства электрического поля позволяют с успехом использовать их в повседневной жизни. Например, оно способно образовывать ионы в жидкости. Погружение электродов в жидкую среду позволяет разделять ее на несколько фракций.

На основании этих свойств электрическое поле нашло применение в медицине, химии, любых видах очистки. В медицине, например, ионами воздействуют на пораженные места, благодаря чему происходит уничтожение вредных микроорганизмов, попавших в рану, и быстрое их заживление.

Применяются и аппарат, воздействующие электрическим полем на отдельные участки тела, что позволяет точечно повысить в них температуру. В результате гемодинамики улучшается движение крови и ускоряется процесс выздоровления.

Методом использования электрического поля происходит очищение воды в специальных сооружениях, что широко используют организации водоканалов. Под его воздействием в отстойниках производят отделение чистой воды от вредных примесей.

Такой же метод применяется при добыче нефти для удаления загрязненных веществ, мешающих дальнейшей ее обработке. В настоящее время ведутся разработки по использованию электрического поля для беспроводной передачи электроэнергии к различным приборам.

В то же время в некоторых случаях необходимо и защищаться от его воздействия. Особенно широко это применяется в электронике, где встречается необходимость оградить одно поле от воздействий другого.

Сверхширокополосный компактный датчик электрического поля с высоким пространственным разрешением на основе технологии Lab-on-Fiber

  • 1.

    Giri, D. et al. . Классификация преднамеренных электромагнитных сред (IEME). IEEE Trans. Электромагнит. Compat. 46 , 322–328 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 2.

    Слинкер, Дж. Д. и др. . Прямое измерение распределения электрического поля в светоизлучающей электрохимической ячейке. Nat. Матер. 6 , 894–899 (2007).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 3.

    Akemann, W. et al. . Визуализация электрических сигналов мозга с помощью генетически ориентированных чувствительных к напряжению флуоресцентных белков. Nat. Методы 7 , 643–649 (2010).

    CAS Статья Google Scholar

  • 4.

    Чжэн, Г. и др. . Мультиплексное электрическое обнаружение маркеров рака с помощью массивов датчиков на основе нанопроволоки. Nat. Biotechnol. 23 , 1294–1301 (2005).

    CAS Статья Google Scholar

  • 5.

    Bassen, H. et al. . Зонды электрического поля, обзор. IEEE Trans. Антенны Propag. АП-31 , 710–718 (1983).

    ADS Статья Google Scholar

  • 6.

    Уокенхорст, Б. Т. и др. . Характеристика фотонного датчика электронного поля как зонда ближнего поля. IEEE, AMTA 2017 , 15–20 октября (2017 г.).

  • 7.

    Yang, Q. et al . Датчик интенсивного переходного электрического поля на основе электрооптического эффекта LiNbO 3 . AIP Adv. 5 , 107130 (2015).

    ADS Статья Google Scholar

  • 8.

    Feng, X. и др. . Устранение двулучепреломления кристалла германата висмута в квазивзаимодействующем отражающем оптическом датчике напряжения. заявл. Опт. 52 , 1676–1681 (2013).

    ADS Статья Google Scholar

  • 9.

    Roussey, M. et al. . Возникновение электрооптического эффекта на фотонных кристаллах ниобата лития за счет медленных фотонов. заявл. Phys. Lett. 89 , 241110 (2006).

    ADS Статья Google Scholar

  • 10.

    Soljacic, M. et al. . Повышение нелинейной фазовой чувствительности фотонным кристаллом при медленном освещении. J. Opt. Soc. Являюсь. В 19 , 2052–2059 (2002).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 11.

    Wei, D. et al. . Экспериментальная демонстрация трехмерного нелинейного фотонного кристалла ниобата лития. Nat. Фотоника 12 , 596–600 (2018).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 12.

    Сюй, Т. и др. . Трехмерный нелинейный фотонный кристалл в сегнетоэлектрическом титанате бария-кальция. Nat. Фотоника 12 , 591–595 (2018).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 13.

    Витмер, Дж. Д. и др. . Фотонные резонаторы с высокой добротностью и электрооптическая связь на основе кремния на ниобате лития. Sci. Отчет 7 , 46313 (2017).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 14.

    Русси, М. и др. . Экспериментальная и теоретическая характеристика фотонного кристалла ниобата лития. заявл. Phys. Lett. 87 , 241101 (2005).

    ADS Статья Google Scholar

  • 15.

    Huihui, L. et al. . Встроенный датчик температуры на основе усиленного пироэлектрического фотонного кристалла. Опт. Экспресс 21 , 16311–16318 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 16.

    Sulser, F. et al. . Фотонно-кристаллические структуры в тонких пленках ниобата лития, нарезанных ионами. Опт. Экспресс 17 , 20291–20300 (2012).

    ADS Статья Google Scholar

  • 17.

    Лу, Х. и др. . Усовершенствованный электрооптический фотонно-кристаллический волновод из ниобата лития на тонкой пленке, вырезанной с помощью умной резки. Опт. Экспресс 20 , 2974–2981 (2012).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 18.

    Taillaert, D. et al. . Решетчатые ответвители для связи между оптическими волокнами и нанофотонными волноводами. Jpn. J. Appl. Phys. 45 , 6071–6077 (2006).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 19.

    Габорит, Г. и др. . Непертурбативный электрооптический датчик для определения характеристик электрического разряда на месте. IEEE Trans. Plasma Sci. 77 , 1596–1598 (2011).

    Google Scholar

  • 20.

    Ян, К. и др. . Система картирования электрического поля с использованием оптоволоконного электрооптического зонда. IEEE Microw. Беспроводной компонент. Lett. 11 , 164–166 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 21.

    Вайано, П. и др. . Лаборатория волоконной технологии для приложений биологического зондирования. Новости лазеров и фотоники 10 , 922–961 (2016).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 22.

    Lin, Y. et al. . Демонстрация сверхширокополосного оптического волокна в линейном поляризаторе с металлической нано-сеткой на конце волокна. Опт. Экспресс 17 , 17849–17854 (2009).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 23.

    Альберт Дж. Лаборатория волокна. IEEE Spectrum 51 , 48–53 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 24.

    Костовский, Г. и др. . Наконечник оптического волокна. Световая микроскопическая платформа для микро- и нанотехнологий. Adv. Мат. 26 , 3798–3820 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 25.

    Quero, G. et al. . Новый лабораторный дозиметр излучения на оптоволокне для контроля сверхвысоких доз. Sci. Отчет 8 , 17841 (2018).

    ADS Статья Google Scholar

  • 26.

    Consales, M. et al . Технология «Лаборатория на волокне»: навстречу многофункциональным оптическим нанозондам. АСУ Нано 6 , 3163–3170 (2012).

    CAS Статья Google Scholar

  • 27.

    Тиан, Ф. и др. . Оптико-жидкостная платформа «Лаборатория на оптоволокне» для in situ мониторинга высвобождения лекарственного средства из терапевтических многослойных полиэлектролитов. Опт. Экспресс 23 , 20132–20142 (2015).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 28.

    Nicolaou, C. et al. . Повышенный предел обнаружения за счет возмущения темновой моды в датчиках показателя преломления двумерных фотонных кристаллов. Опт. Экспресс 21 , 31698–31712 (2013).

    ADS Статья Google Scholar

  • 29.

    Каплан, А.Ф. и др. . Высокоэффективные резонансные спектральные фильтры с настраиваемой полосой пропускания, изготовленные с использованием литографии наноимпринтов. заявл. Phys. Lett. 99 , 143111 (2011).

    ADS Статья Google Scholar

  • 30.

    Порталупи, С. Л. и др. . Плоские фотонно-кристаллические резонаторы для оптимизации поля для обеспечения высокой эффективности связи и добротности. Опт.Экспресс 18 , 16064–16073 (2010).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 31.

    Ryu, H. et al. . Усиление светового взаимодействия с двумерными фотонно-кристаллическими пластинчатыми структурами. IEEE J. Sel. Темы Квантовой электроники. 8 , 231–237 (2002).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 32.

    Дизяин, С. и др. . Самоподвесные микрорезонаторы, выполненные в виде Z-образных мембран из ниобата лития. Опт. Матер. Экспресс 5 , 2081–2089 (2015).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 33.

    Geiss, R. et al. . Распространение света в отдельно стоящем волноводе из фотонного кристалла ниобата лития. заявл. Phys. Lett. 97 , 131109 (2010).

    ADS Статья Google Scholar

  • 34.

    Ю., Ю. и др. . Коммутационные характеристики нанополости фотонного кристалла InP: эксперимент и теория. Опт. Экспресс 21 , 31047–31061 (2013).

    ADS Статья Google Scholar

  • 35.

    Joannopoulos, J. D. et al . Фотонные кристаллы: моделирование потока света. Глава 2, стр. 19. Издательство Принстонского университета, второе издание, 2 марта (2018 г.).

  • 36.

    Qiu, W. и др. . Управляемые резонансы на ниобате лития для обнаружения чрезвычайно малых электрических полей, исследованные с помощью точного анализа чувствительности. Опт. Экспресс 24 , 20196–20209 (2016).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 37.

    Suh, W. et al. . Чувствительные к смещению фотонно-кристаллические структуры на основе управляемого резонанса в пластинах фотонных кристаллов. заявл. Phys. Lett. 82 , 1999–2001 (2003).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 38.

    Wang, S. et al. . Оптофлюидные резонансные фотонно-кристаллические рефрактометрические сенсоры Фано. заявл. Phys. Lett. 110 , 0 (2017).

    ADS Статья Google Scholar

  • 39.

    Калеро, В. и др. . На пути к высоконадежному, точному и воспроизводимому производству фотонно-кристаллических пластин на ниобате лития. J. Light Technol. 37 , 698–703 (2019).

    ADS Статья Google Scholar

  • 40.

    Джун, Д. и др. . Моделирование и экспериментальные исследования резонансов Фано в отдельно стоящих пластинах фотонного кристалла LiNbO 3 . Опт. Экспресс 21 , 3243–3252 (2013).

    ADS Статья Google Scholar

  • 41.

    Липоми, Д. Дж. и др. . Использование тонких срезов (наноудар) для изготовления наноструктур для электронных и оптических приложений. Angew. Chem. 50 , 8566–8583 (2011).

    CAS Статья Google Scholar

  • 42.

    Pisco, M. et al. . Лаборатория по волокну методом самосборки: предварительное исследование. Proc. SPIE 8421 , 842188 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 43.

    Ricciardi, A. et al. . Универсальные волоконно-оптические нанозонды: от плазмонных биосенсоров до устройств, чувствительных к поляризации. ACS Photonics 1 , 69–78 (2014).

    CAS Статья Google Scholar

  • 44.

    Poberaj, G. et al. . Ниобат лития на изоляторе (LNOI) для микрофотонных устройств. Laser Photonics Ред. 6 , 488–503 (2012).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 45.

    Jinan Jingzheng Electronics Co., http://www.nanoln.com (2018).

  • 46.

    Woong Jung, I. et al. . Высокочувствительный монолитный кремниевый фотонно-кристаллический датчик пламени для одновременного измерения показателя преломления и температуры. J. Light Technol. 29 , 1367–1374 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 47.

    Zhang, Y. et al . ULtrafast полностью оптический перестраиваемый резонанс Фано в нелинейных сегнетоэлектрических фотонных кристаллах. заявл. Phys. Lett. 100 , 031106 (2012).

    ADS Статья Google Scholar

  • 48.

    Джун, Д. и др. . Отдельно стоящий монолитный LiNbO 3 фотонных кристаллов. Proc. SPIE 8632 , 86320H (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 49.

    Июн, Д. и др. . Моделирование и экспериментальные исследования резонанса Фано в отдельно стоящем LiNbO 3 фотонных кристаллов. Опт. Экспресс 21 , 3243–3252 (2013).

    ADS Статья Google Scholar

  • 50.

    Takeda, K. et al. . Электрооптический эффект ниобата лития в пьезоэлектрическом резонансе. J. Appl. Phys. 112 , 124105 (2012).

    ADS Статья Google Scholar

  • 51.

    Naghski, D. H. et al. . Интегрированный фотонный интерферометр Маха-Цендера без электродов для измерения электрических полей. Journal of Lightwave Technology 12 , 1092–1098 (1994).

    ADS Статья Google Scholar

  • 52.

    Шрирам С. и др. . Электрооптический датчик для обнаружения электрических полей. Патент США № 5,267,336 (1993).

  • 53.

    Lin, C.-Y. и др. . Датчик электрического поля с широким динамическим диапазоном для обнаружения электромагнитных импульсов. Оптика экспресс 19 , 17372–17377 (2011).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 54.

    Gutiérrez-Martinez, C. et al. . Новая схема измерения электрического поля с использованием интегрированной оптики LiNbO 3 Несбалансированные интерферометры Маха – Цендера и оптическая модуляция задержки. Journal of Lightwave Technology 35 , 27–33 (2017).

    ADS Статья Google Scholar

  • 55.

    Sabet, K. et al . Использование электрооптического картирования поля для разработки двухдиапазонных активных фазированных решеток с круговой поляризацией. 2017 18-я конференция IEEE по беспроводным и микроволновым технологиям (WAMICON) . 1–5 (2017).

  • 56.

    Barbieri, L. et al. . Датчик для измерения векторного электрического поля через нелинейный анизотропный оптический кристалл. Rev. Sci. Instrum. 88 , 113114 (2017).

    ADS Статья Google Scholar

  • 57.

    Kuo, W. -K. и др. . Система трехмерного картирования электрического поля с использованием электрооптического вращения главных осей кристалла. Rev. Sci. Instrum ., 2005, 76 , 055111 (2005).

    ADS Статья Google Scholar

  • 58.

    Ли, Д.-Дж. и др. . Откалиброванный электрооптический пробник с динамическим диапазоном 100 дБ для мощных СВЧ-устройств. Оптика экспресс 19 , 14437–14450 (2011).

    ADS Статья Google Scholar

  • 59.

    Gaborit, G. et al. . Одноразовая и векторная характеристика интенсивного электрического поля в различных средах с помощью электрооптического зонда с косичками. IEEE Transactions on Plasma Science 42 , 1265–1273 (2014).

    ADS Статья Google Scholar

  • 60.

    Ян, З. и др. . Бесконтактные широкополосные токовые пробники с высокой чувствительностью и пространственным разрешением для определения места шума на печатной плате. IEEE Trans. Instrum. Измер. ПП , 1–11 (2018).

    Google Scholar

  • 61.

    Ши, Х. и др. . Интеллектуальная универсальная тераностическая платформа для микроволновой термотерапии опухолей под контролем компьютерной томографии на основе наночастиц IL @ ZrO 2 . Chem. Sci. 6 , 5016–5026 (2015).

    CAS Статья Google Scholar

  • 62.

    Tang, S. et al. . In vivo магнитно-резонансная томография и микроволновая термотерапия рака с использованием новых микрокапсул Chilosan. Nanoscale Res. Lett. 11 , 334 (2016).

    ADS Статья Google Scholar

  • 63.

    Нил Р.Э. и др. . Экспериментальная характеристика и численное моделирование электропроводности тканей в импульсных электрических полях для планирования лечения необратимой электропорацией. IEEE Trans. Биомед. Англ. 59 , 1076–1085 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 64.

    Kakimi, R. et al. . Захват терагерцовой волны в фотонно-кристаллической пластине. Nat. Фотоника 8 , 657–663 (2014).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 65.

    Frey, L. et al. . Наноразмерные эффекты при обработке сфокусированного ионного пучка. заявл. Phys. А 76 , 1017–1023 (2003).

    ADS CAS Статья Google Scholar

  • 3. Электрическое поле — Физика LibreTexts

    Другой способ определить электрическую силу — использовать модель поля.С этого момента мы будем использовать полевую модель чаще, чем прямую. В модели поля мы анализируем взаимодействие между двумя зарядами в два этапа: \ [\ text {Charge 1} \ xrightarrow {\ text {создает поле}} \ mathbf {E} \ xrightarrow {\ text {воздействует на}} \ text {Заряд 2} \] То есть, вместо того, чтобы напрямую вычислять силу, которую Заряд 1 оказывает на Заряд 2, мы думаем, что Заряд 1 создает электрическое поле (\ mathbf {E} \), которое воздействует на Заряд 2. Как только мы определили электрическое поле, создаваемое исходным зарядом, мы можем его игнорировать; мы можем полностью определить силу, действующую на пробный заряд, из поля \ (\ mathbf {E} \).

    Как и в случае с гравитационным полем \ (\ mathbf {g} \), электрическое поле \ (\ mathbf {E} \) существует во всех точках пространства и может изменяться или не меняться со временем. Чтобы определить \ (\ mathbf {E} \) для всего пространства, вы должны знать как величину, так и направление \ (\ mathbf {E} \) во всех точках. Свойство иметь и величину, и направление в каждой точке означает, что \ (\ mathbf {E} \) является векторным полем. Мы можем представить эти свойства либо векторами поля, либо линиями поля (подробнее об этом ниже).

    Определение поля, создаваемого исходным зарядом, не требует какой-либо емкости тестового заряда.Точно так же определение силы, создаваемой полем, не связано с зарядом источника. На этом этапе мы больше не рассматриваем заряд источника, а вместо этого рассматриваем поле, создаваемое зарядом источника. В прямой модели мы рассматриваем взаимодействие между двумя зарядами напрямую. В полевой модели мы рассматриваем каждый заряд на отдельном этапе. 2} \] При определении нашего электрического поля мы должны убедиться, что поле не зависит от пробного заряда.2 | \\ \ text {Направление} & \ text {к} -Q \ text {; от} + Q \ end {cases} \] Единицы измерения электрического поля равны Ньютонов на кулон (Н / Кл). Существуют и другие эквивалентные единицы, такие как В на метр (В / м), которые мы увидим позже.

    Величина поля \ (\ mathbf {E} \) является абсолютной величиной — это просто длина вектора. Направление электрического поля в любой точке указывает направление, в котором положительный заряд будет ощущать электрическую силу. Отрицательный заряд ощущает силу в направлении , противоположном электрическому полю.Как следствие этого соглашения, положительные заряды, отталкивающие другие положительные заряды, говорят нам, что электрическое поле начинает с положительного заряда и направлено в сторону. Отрицательный заряд притягивает положительный заряд, и поэтому отрицательные заряды создают электрические поля, направленные внутрь; электрическое поле заканчивается отрицательными зарядами. Полное электрическое поле получается путем объединения электрических полей всех исходных частиц и их наложения.

    Чтобы определить силу электрического поля, умножьте поле \ (\ mathbf {E} \) на величину испытательного заряда: \ [\ mathbf {F} _ {\ text {field on} q} = q \ mathbf {E} \] Единицы измерения хорошо работают, давая Ньютоны, ожидаемые единицы силы.2} \ right | \] Это просто прямая модель электрических сил. Это хороший результат, что мы математически получаем один и тот же ответ для величины силы, действующей на \ (q \), используя прямой или полевой метод.

    Пример # 1

    В прямой модели силы мы обнаружили, что сила притягивает, когда заряды имеют разные знаки, и отталкивающую, если заряды одинаковы. Как мы можем использовать электрическое поле, чтобы определить направление силы?

    Решение

    Мы знаем, что положительные заряды создают электрические поля, направленные наружу во всех направлениях пространства.Если мы поместим второй положительный заряд в поле, у нас будет сила отталкивания, которая также будет направлена ​​в сторону от источника заряда:

    Если вместо этого мы поместим в поле отрицательный заряд, мы обнаружим силу притяжения, которая указывает на заряд источника, в направлении, противоположном полю:

    По крайней мере, в случае двух зарядов в пространстве, мы обнаруживаем, что сила направлена ​​в том же направлении, что и поле для положительных исходных зарядов, и противоположно полю для отрицательных зарядов.

    Оказывается, связь между силой и направлением поля, исследованная в предыдущем примере, является обобщенной. Независимо от того, насколько сложна конфигурация заряда, если мы знаем направление электрического поля, мы можем легко определить направление электрической силы. \ [\ mathbf {F} _ {\ text {поля на зарядке} q} = \ begin {cases} \ text {Magnitude} & = q | \ mathbf {E} | \\ \ text {Направление} & = \ text {Вдоль} \ mathbf {E} \ text {вектор поля для} + q \ text {; напротив} \ mathbf {E} \ text {вектор поля для} -q \ end {cases} \]

    Прежде чем продолжить, мы должны на мгновение сделать паузу.Мы предоставили уравнение для расчета электрического поля, создаваемого одиночным зарядом. Если мы хотим найти электрическое поле, создаваемое двумя зарядами в определенном месте в пространстве, мы знаем, что можем использовать принцип суперпозиции, чтобы сложить различные поля в этом конкретном месте. Обратите внимание, что мы должны добавлять поля как векторы; простое добавление величин полей неверно (в зависимости от ориентации добавление двух полей с равной величиной может привести к нулевому чистому полю, двойному значению отдельных полей или чему-либо промежуточному).2 \) является результатом, который применяется индивидуально к точечным или сферическим зарядам.

    До сих пор мы исследовали три способа представления полей. В этом разделе мы расширим два из этих представлений для случая электрических полей: векторную карту и карту линий поля .

    Векторная карта

    Как мы узнали из статьи «Что такое поля?», Чтобы создать карту электрического поля, окружающего источник заряда \ (Q \), мы должны оценить величину и направление вектора электрического поля в различных равномерно расположенных точках на сетке, окружающей источник заряда, но даже это может быть непростой задачей (два примера ниже)! Вам должно быть удобно называть эту «карту» векторов электрического поля полем «\ (mathbf {E} \)».«Некоторые очень длинные \ (\ text {E} \) векторы (т.е. векторы в точках, очень близких к заряду \ (Q \)) были опущены для ясности. Одним из преимуществ представления векторной карты является то, что оно выделяет векторы поля в четко определенных точках пространства. Сравните приведенные ниже карты с картами для гравитационных полей, сделанными ранее.

    Полевые линии

    Второй способ, которым мы можем представить электрическое поле, — это линии поля, которые могут быть упрощены для рисования. Как мы установили, создавайте линии поля, соединяя векторы поля вместе.Линии электрического поля всегда начинаются с положительного заряда и заканчиваются отрицательным зарядом (или начинаются / заканчиваются на бесконечности, как для гравитационных полей). Направление вектора поля можно определить по силовой линии; вектор поля касается силовой линии (см. диаграмму). (диаграмма, показывающая сложную карту линий поля, показывающую несколько векторов полей образца).

    Пример # 2

    Объясните, как можно определить напряженность электрического поля, используя a) представление векторной карты и b) представление линий поля.Вы можете найти отношения между векторными представлениями полезными.

    Решение

    a) В представлении векторной карты вектор поля предоставляется во многих точках выборки по всей области. Найдите векторы поля, наиболее близкие к интересующему месту. Интерполируйте эти векторы, чтобы получить приблизительный вектор для вашей позиции.

    Длина векторов указывает величину электрического поля в их соответствующих положениях. Обратите внимание, что фактический масштаб векторов несколько произвольный и выбран для ясности (т.е. 1 см на карте равен 10 N / C? Или 1000 N / C?) Фактическая величина поля \ (\ mathbf {E} \) может быть определена по шкале, но мы можем определить относительную силу поля по относительной длине векторов на карте.

    b) В представлении силовых линий плотность силовых линий определяет напряженность электрического поля. Найдите достопримечательность и посмотрите, сколько линий поля находится поблизости. Подумайте о том, чтобы положить четвертак на бумагу в этот момент.Сколько строк занимает ваша четверть? Как это соотносится с тем, сколько строк ваш квартал охватывал бы в другом месте страницы? Подобно векторной карте, относительная напряженность поля может быть определена (по тому, насколько плотны линии), но невозможно определить фактическую величину только на основе представления силовых линий.

    Пример № 3

    В двух предыдущих примерах (здесь и здесь) вы разработали карту векторного поля и карту линий поля для гравитационного поля, созданного двумя сферическими шарами одинаковой массы.Теперь предположим, что каждый шар несет чистый заряд и что электрическое поле, которое они создают, может быть представлено одними и теми же картами. Определите признаки обвинений.

    Решение

    Глядя на карту линий поля (воспроизведенную ниже), становится ясно, что линии поля заканчиваются на зарядах. Полевые линии заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому каждый заряженный шар должен нести отрицательный заряд .

    Практическое руководство

    Приведенное ниже моделирование позволяет фиксировать положительные и отрицательные заряды в отведенном для этого месте.Поместите несколько зарядов и проверьте, как поле \ (\ mathbf {E} \) реагирует на различные схемы заряда. Попробуйте сконцентрировать заряды или разложить их. Посмотрите на поле \ (\ mathbf {E} \) рядом с зарядами или подальше. Основываясь на том, что вы узнали в этом разделе, попробуйте предсказать различные способы изменения поля \ (\ mathbf {E} \). Вернитесь к этой симуляции после прочтения «Электрический потенциал».

    Электрические поля цветов стимулируют сенсорные волоски шмелей

    Большинство из нас были потрясены, пройдя по ковру и прикоснувшись к металлической дверной ручке.Накопление заряда — «статического» электричества — на поверхности некоторых непроводников из-за трения называется трибоэлектричеством. Мы не замечаем накопления заряда на нашем теле во время ходьбы и замечаем его только после разрядки, когда он кратковременно стимулирует наши чувствительные к боли нейроны; для нас это, по сути, эпифеномен. Этот положительный заряд, накапливаемый летающими насекомыми, такими как пчелы, ценился десятилетиями (1, 2). Точно так же цветы удерживают электрический заряд, а их отрицательно заряженные пыльцы притягиваются к положительному заряду на телах садящихся пчел (3).Так что по крайней мере накопление заряда пчелой используется для помощи в опылении. Но чувствуют ли пчелы заряд на своем теле или на цветах и ​​используют эту информацию, чтобы управлять своим поведением, или, как и мы, они не осознают этого? Если пчелы чувствуют электрические поля, то как? Недавняя серия экспериментов Роберта и его коллег продемонстрировала, что шмели ( Bombus terrestris ) действительно чувствуют электрические поля цветка, что они передают им важную информацию (4), а в статье в PNAS (5) Sutton et al. .показывают, что эти электрические поля воспринимаются электростатическими движениями множества механочувствительных нитевидных волос по их телам.

    В своем первом исследовании Clarke et al. (4) показали, что у цветов есть четкие рисунки электрического заряда на поверхности, и что пчелы учатся различать заряженные и незаряженные искусственные цветы. Добавление электрических узоров к визуальным узорам на этих цветках повысило скорость обучения распознаванию пчел. Еще один интересный момент заключается в том, что когда шмели приземляются на цветы, часть положительного заряда от их тел перемещается к цветку и нейтрализует часть отрицательного заряда цветка; это длится 1-2 мин (рис.1). Авторы предположили, что пчела может использовать чистый заряд цветка, чтобы определить, посещала ли недавно цветок другая пчела и, следовательно, уменьшила количество подношений нектара и пыльцы.

    Рис. 1.

    Шмель может обнаруживать электрические поля цветов по отклонениям множества крошечных механосенсорных нитевидных волосков на голове и теле. ( A ) Пчелы накапливают положительный заряд на своем теле во время полета. У цветов есть отрицательный заряд. Взаимодействие этих зарядов, когда шмель садится на цветок, механически перемещает антенны пчелы и нитевидные волоски.( B ) Стимуляция антенн или нитевидных сенсорных волосков электрическим зарядом их перемещает. Электромеханические движения антенны шмеля (красные стрелки) не активируют сенсорные нейроны антенн, тогда как движения нитевидных волосков (синие стрелки) активируются.

    В PNAS, Sutton et al. (5) проверить чувствительность двух структур-кандидатов на определение электрического заряда: множества крошечных нитевидных волосков, распределенных по голове и телу, и антенн, которые отклоняются электрическим зарядом и иннервируются.Гипотеза состоит в том, что движение одной или обеих структур с помощью электрического заряда обнаруживается механосенсорными нейронами, которые иннервируют нитевидные волоски и основание антенны. Другими словами, нет специального электрорецептора как такового, как у акул или электрических рыб (6, 7), а есть электрически форсированное движение механосенсорной структуры. Используя лазерный доплеровский виброметр, Sutton et al. (5) измерили движения этих структур к приложенным электрическим полям, обнаружив, что нитевидные волосы движутся на порядок большей скоростью, чем антенны, к тем же приложенным полям.Ключевым экспериментом была запись механосенсорных нейронов, исходящих от основания антенн и нитевидных волосков, до приложения экологически значимых электрических полей. Несмотря на движение антенн под действием приложенного напряжения, нейроны антенн не отвечали, тогда как нейроны из нитевидных волосков отвечали устойчиво. В качестве контроля авторы показали, что нейроны антенн реагировали на механические отклонения или обонятельные стимулы.

    Эти результаты отличаются от других недавних исследований, в которых подчеркивалась роль механодатчиков усиков медоносных пчел ( Apis mellifera, ) (8) и тараканов (9) в реакции на электрический заряд.Греггерс и др. (8) обнаружили, что в дополнение к списку известных сенсорных стимулов, используемых медоносными пчелами для передачи своих движений товарищам по улью во время виляния (10), они ощущают модуляцию амплитуды электрических полей на своем теле как они перемещают брюшко и крылья ближе к соседним пчелам или от них. Греггерс и др. (8) показали, что антенны двигаются в ответ на эти модуляции, и они зарегистрировали сильные нейронные отклики механодатчиков в антеннах на эти электрические поля.Авторы не тестировали и поэтому не исключают участие других механорецепторов, таких как нитевидные волосы. Хотя различия между шмелями и медоносными пчелами могут быть истинными различиями между видами или могут быть результатом небольших различий в дизайне экспериментов, главный вывод всех этих исследований состоит в том, что насекомые обладают трибоэлектрическим чувством, опосредованным механорецепторами.

    Эти документы открывают крышу над тем, что, вероятно, станет богатым кладом будущих экспериментальных вопросов.Поскольку одни и те же нейроны, кажется, передают как механосенсорные, так и электрические сигналы, можно ли эти сигналы различать независимо? Что мозг делает с этой информацией: существуют ли отдельные механосенсорные и электросенсорные каналы? Поскольку кажется вероятным, что механосенсорные волоски стимулируются ветром и собственным взмахом крыльев пчелы, когда пчела приближается к цветку, как это взаимодействует с обнаружением электрических стимулов?

    Шмели и некоторые другие насекомые-опылители (но, по-видимому, не медоносные пчелы) увеличивают свой урожай пыльцы за счет «жужжащего» опыления, при котором они закрепляются на дне пыльника цветка своими жвалами и встряхивают его с частотой 100–400 Гц с помощью их грудные мышцы, заставляющие пыльник испускать дождь пыльцы (11).Разве эта тесная связь между растением и пчелой и неистовая активность пчелы рассеивают или накапливают заряд и облегчают или ухудшают взаимодействие пчелы со следующим цветком или взаимодействие цветка со следующей пчелой?

    Есть ли у других насекомых трибоэлектрический смысл? Если накопление заряда на теле насекомого настолько широко распространено, насколько это представляется вероятным (9), является ли это эпифеноменом или даже неприятностью для некоторых видов — возможно, даже подавляется центрально как шум — но используется ли у других? Были ли другие насекомые-опылители, такие как осы, мотыльки, бабочки, мухи и жуки, также эволюционировали, чтобы электрически взаимодействовать со своими цветами? Уже более 100 лет известно, что заряд держится на волосах млекопитающих и перьях птиц (12).Подобно пчелам, пыльца может электростатически притягиваться к приближающимся колибри (13). Могли ли колибри и другие нектароядные птицы-опылители или, возможно, некоторые млекопитающие-опылители, такие как летучие мыши, развить подобное трибоэлектрическое чутье?

    Наконец, существует потенциальная обратная сторона жизни в мире, где трибоэлектричество оказывает реальную силу; паутина иногда накапливает отрицательный заряд и притягивается к ближайшим положительно заряженным насекомым и цепляется за них (14). Итак, сила может быть с ними — или против них.

    Благодарности

    Автор благодарит г-жу Николь Элмер за создание Рис. 1.

    Сноски

    • Вклад автора: H.H.Z. написал газету.

    • Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

    • См. Сопутствующую статью на странице 7261.

    Произошла ошибка при настройке вашего 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, используйте 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.

    Этот «датчик» позволяет вашим клеткам обнаруживать электрические поля

    Поделиться
    Артикул

    Вы можете поделиться этой статьей с указанием авторства 4.0 Международная лицензия.

    Ученые нашли первый настоящий «сенсорный механизм», который позволяет живой клетке обнаруживать электрическое поле.

    «Мы считаем, что существует несколько типов сенсорных механизмов, но ни один из них не известен. Теперь мы предоставляем экспериментальные данные, чтобы предложить один, который ранее даже не предполагался, — двухмолекулярный механизм восприятия », — говорит Мин Чжао, исследователь из Института регенеративного лечения Калифорнийского университета в Дэвисе.

    Чжао и его коллеги изучали эти «электрические чувства» в клетках как более крупных животных (клетки кожи рыб, клеточные линии человека), так и обитающей в почве амебы Dictyostelium. Выключив некоторые гены у Dictyostelium, они ранее идентифицировали некоторые из генов и белков, которые позволяют амебе двигаться в определенном направлении при воздействии электрического поля.

    В новой работе, проведенной на линии клеток человека, они обнаружили два элемента, белок под названием Kir4.2 (произведенный геном KCNJ15) и молекулы внутри клетки, называемые полиаминами, были необходимы для передачи сигналов.

    [электрические поля могут мешать крыльям плодовой мушки]

    Kir4.2 — это калиевый канал — он образует поры через клеточную мембрану, которая позволяет ионам калия проникать в клетку. Такие ионные каналы часто участвуют в передаче сигналов в клетки. Полиамины — это молекулы внутри клетки, которые несут положительный заряд.

    Они обнаружили, что когда ячейки находятся в электрическом поле, положительно заряженные полиамины имеют тенденцию накапливаться на стороне ячейки рядом с отрицательным электродом.Полиамины связываются с калиевым каналом Kir4.2 и регулируют его активность.

    Чжао предупреждает, что у них еще нет окончательных доказательств того, как «переключение» калиевого канала полиаминами переводится в направленное движение клетки.

    Другие ученые из Калифорнийского университета в Дэвисе, Чжэцзянского университета в Китае и Института молекулярной биотехнологии Австрийской академии наук в Австрии совместно работали над исследованием, которое опубликовано в Nature Communications .Проект поддержали гранты Национальных институтов здоровья, NSF, Американского онкологического общества, Американской кардиологической ассоциации, Research to Preventness Inc. и Калифорнийского университета.

    Источник: UC Davis

    Новый способ использования нейтронов для обнаружения электрических полей в космосе

    Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Sandia National Laboratories разработали неразрушающий, но проникающий метод, который использует нейтроны для обнаружения электрических полей в недоступных местах с помощью обычных зондов.С помощью этого метода можно разработать сенсорные устройства, которые могут видеть сквозь стены для обнаружения электрических полей в электронных компонентах — полезная возможность для проверки безопасности и других диагностических приложений.

    Дэн Хасси, физик из NIST, сказал: : «Это первый раз, когда кому-либо удалось отобразить физически изолированное электрическое поле. Может быть что-то, что вы не хотите разбирать, но хотите проверить. Такой подход может предложить способ увидеть его электрические поля, даже если на пути стоят препятствия.”

    В этом методе используется интенсивный пучок поляризованных нейтронов. Нейтроны обладают способностью проникать через плотные материалы, такие как металлы, которые блокируют прохождение других частиц или типов излучения.

    Нейтроны обладают магнитным свойством, называемым спином, которым можно управлять с помощью магнитного поля. На направление вращения нейтрона влияет магнетизм — то, что ученые использовали в своих интересах.

    Нейтроны (синие), которые могут проникать через твердые объекты (например, серую стальную стену), не имеют электрического заряда.Однако на магнитные спины движущихся нейтронов влияет электрическое поле (зеленое), которое немного изменяет направление их вращения при прохождении через поле. Это изменение направления вращения (красный угол) может быть измерено поляриметрическим методом (с использованием нейтронного спинового фильтра и соленоида, представленного катушкой), что дает потенциальный метод проверки электрических устройств, которые нельзя наблюдать напрямую.

    Хуссей сказал: «Нейтрон электрически нейтрален, и все же мы используем его для определения электрического поля.”

    Эту идею придумал физик из Сандиа Юань-Ю Цзэу. Недавно он начал работать над проектом лабораторных исследований и разработок (LDRD) по обнаружению электрических полей в пространствах, недоступных для обычных зондов. Чтобы осознать это, Джау нуждался в хорошем источнике нейтронов и способных детекторах — потребности, которые привели его в Центр нейтронных исследований NIST (NCNR).

    Даже для сильного электрического поля, использованного в этом демонстрационном эксперименте, эффективное магнитное поле было слабым (примерно в 50 раз меньше, чем магнитное поле Земли).Тем не менее это слабое магнитное поле немного изменило направление магнитного спина нейтрона. В экспериментах угол наклона был меньше градуса, но с помощью метода чувствительной поляриметрии, разработанного командой, было измерено небольшое вращение с точностью примерно до одной сотой градуса.

    Чтобы проводить точные измерения, ученые, опираясь на возможности NCNR в области поляриметрии, разработали метод, который примерно в 100 раз более чувствителен, чем обычная поляриметрия.

    Их метод основан на поведении нейтронов, когда они попадают в электромагнит, называемый соленоидом, который используется вместе со спиновым фильтром поляризованных нейтронов. Это устройство было разработано для других целей, но оказалось, что оно идеально подходит для этого исследования.

    Может показаться, что условия испытаний подрывают практическую ценность процедуры для использования в полевых условиях, поскольку группе требовался неудобно большой реактор для создания пучка нейтронов. Тем не менее, меньшие по размеру коммерчески доступные генераторы нейтронов все же существуют, и предполагается, что однажды этот метод может быть использован портативным оборудованием, если он сможет генерировать достаточно интенсивный пучок нейтронов.

    Хасси подчеркнул, «Результаты демонстрируют только то, что концепция действительна. Мы не забегали вперед, пытаясь заглянуть внутрь металлических предметов, но это скоро произойдет ».

    «Возможно, вы захотите диагностировать высоковольтную электронику во время ее работы или, возможно, изучить материалы, обладающие электрическими свойствами, в средах с образцами. Теперь, когда такая возможность существует, возможно, появятся и другие идеи ».

    Ссылка на журнал:
    1. Юань-Ю Джау и др.Визуализация электрического поля с использованием поляризованных нейтронов, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.110801

    Излучение: электромагнитные поля

    Стандарты

    установлены для защиты нашего здоровья и хорошо известны для многих пищевых добавок, концентраций химических веществ в воде или загрязнителях воздуха. Точно так же существуют полевые стандарты, ограничивающие чрезмерное воздействие уровней электромагнитного поля, присутствующего в нашей окружающей среде.

    Кто принимает решения о руководящих принципах?

    Страны устанавливают свои собственные национальные стандарты воздействия электромагнитных полей.Однако большинство этих национальных стандартов основаны на рекомендациях Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения (ICNIRP). Эта неправительственная организация, официально признанная ВОЗ, оценивает научные результаты со всего мира. Основываясь на подробном обзоре литературы, ICNIRP выпускает руководящие принципы, рекомендующие пределы воздействия. Эти правила периодически пересматриваются и при необходимости обновляются.

    Уровни электромагнитного поля изменяются сложным образом в зависимости от частоты.Было бы трудно понять перечисление каждого значения в каждом стандарте и на каждой частоте. Приведенная ниже таблица представляет собой краткое изложение рекомендаций по воздействию для трех областей, которые стали предметом общественного беспокойства: электричество в доме, базовые станции мобильной связи и микроволновые печи. Эти рекомендации последний раз обновлялись в апреле 1998 года.

    Краткое изложение рекомендаций ICNIRP

    Европейская частота сети

    Частота базовой станции мобильного телефона

    Частота микроволновой печи

    Частота

    50 Гц

    50 Гц

    900 МГц

    1.8 ГГц

    2,45 ГГц

    Электрическое поле (В / м)

    Магнитное поле (мкТл)

    Плотность мощности (Вт / м2)

    Вт / м2)

    Плотность мощности (Вт / м2)

    Пределы воздействия на общественное население

    5000

    100

    4,5

    910

    Пределы воздействия на рабочем месте

    10 000

    500

    22.5

    45

    ICNIRP, Руководящие принципы EMF, Health Physics 74, 494-522 (1998)

    Нормы воздействия могут отличаться более чем в 100 раз между некоторыми бывшими советскими странами и западными странами. страны. В связи с глобализацией торговли и быстрым внедрением телекоммуникаций во всем мире возникла необходимость в универсальных стандартах. Поскольку многие страны бывшего Советского Союза сейчас рассматривают новые стандарты, ВОЗ недавно выступила с инициативой по гармонизации руководящих принципов воздействия во всем мире.Будущие стандарты будут основаны на результатах Международного проекта ВОЗ по электромагнитному полю.

    На чем основаны руководящие принципы?

    Важно отметить, что нормативный предел не является точным разграничением между безопасностью и опасностью. Не существует единого уровня, выше которого воздействие становится опасным для здоровья; вместо этого потенциальный риск для здоровья человека постепенно увеличивается с увеличением уровня воздействия. Руководящие принципы указывают, что согласно научным данным воздействие электромагнитного поля ниже заданного порогового значения является безопасным.Однако из этого автоматически не следует, что воздействие выше указанного предела является вредным.

    Тем не менее, чтобы установить пределы воздействия, научные исследования должны определить пороговый уровень, при котором проявляются первые последствия для здоровья. Поскольку людей нельзя использовать для экспериментов, руководящие принципы критически полагаются на исследования на животных. Незначительные изменения в поведении животных на низких уровнях часто предшествуют более радикальным изменениям здоровья на более высоких уровнях. Аномальное поведение является очень чувствительным индикатором биологической реакции и было выбрано как наименьшее наблюдаемое неблагоприятное воздействие на здоровье.Руководящие принципы рекомендуют предотвращать уровни воздействия электромагнитного поля, при которых изменения поведения становятся заметными.

    Этот пороговый уровень поведения не равен нормативному пределу. ICNIRP применяет коэффициент безопасности 10 для получения пределов профессионального воздействия и коэффициент 50 для получения нормативного значения для населения. Поэтому, например, в радиочастотном и микроволновом диапазонах частот максимальные уровни, которые вы можете испытывать в окружающей среде или в вашем доме, по крайней мере в 50 раз ниже порогового уровня, при котором становятся очевидными первые изменения в поведении животных.

    Почему коэффициент безопасности для норм профессионального облучения ниже, чем для населения?

    Население, подвергающееся профессиональному облучению, состоит из взрослых, которые обычно находятся в известных условиях электромагнитного поля. Эти рабочие обучены осознавать потенциальный риск и принимать соответствующие меры предосторожности. Напротив, широкая общественность состоит из людей всех возрастов и разного состояния здоровья. Во многих случаях они не знают о своем воздействии ЭМП. Более того, нельзя ожидать, что отдельные представители общественности примут меры для сведения к минимуму или предотвращения воздействия.Это основные соображения для более строгих ограничений воздействия для населения, чем для населения, подвергающегося профессиональному облучению.

    Как мы видели ранее, низкочастотные электромагнитные поля индуцируют токи в человеческом теле (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Но различные биохимические реакции внутри самого тела также генерируют токи. Клетки или ткани не смогут обнаружить какие-либо индуцированные токи ниже этого фонового уровня.Следовательно, при низких частотах нормы воздействия гарантируют, что уровень токов, индуцируемых электромагнитными полями, ниже, чем у естественных токов тела.

    Основным эффектом радиочастотной энергии является нагрев тканей. Следовательно, нормы воздействия радиочастотных полей и микроволн установлены для предотвращения последствий для здоровья, вызванных локальным нагревом или нагреванием всего тела (см. Что происходит, когда вы подвергаетесь воздействию электромагнитных полей?). Соблюдение указаний гарантирует, что тепловое воздействие достаточно мало, чтобы не причинить вреда.

    Какие руководящие принципы не могут учесть

    В настоящее время предположения о потенциальных долгосрочных последствиях для здоровья не могут служить основой для выпуска руководств или стандартов. Суммируя результаты всех научных исследований, общий вес доказательств не указывает на то, что электромагнитные поля вызывают долгосрочные последствия для здоровья, такие как рак. Национальные и международные органы устанавливают и обновляют стандарты на основе последних научных знаний для защиты от известных последствий для здоровья.

    Рекомендации установлены для среднего населения и не могут напрямую отвечать требованиям меньшинства потенциально более чувствительных людей. Например, директивы по загрязнению воздуха не основаны на особых потребностях астматиков. Точно так же правила электромагнитного поля не предназначены для защиты людей от вмешательства в имплантированные медицинские электронные устройства, такие как кардиостимуляторы. Вместо этого следует посоветоваться с производителями и клиницистом, имплантирующим устройство, по поводу ситуаций облучения, которых следует избегать.

    Каковы типичные максимальные уровни воздействия дома и в окружающей среде?

    Некоторая практическая информация поможет вам соотноситься с международными нормативными значениями, указанными выше. В следующей таблице вы найдете наиболее распространенные источники электромагнитных полей. Все значения являются максимальными уровнями публичного воздействия — ваша собственная подверженность, вероятно, будет намного ниже. Для более детального изучения уровней поля вокруг отдельных электроприборов см. Раздел Типичные уровни воздействия в домашних условиях и в окружающей среде.

    Источник

    Типичное максимальное воздействие на людей

    Электрическое поле (В / м)

    Плотность магнитного потока (мкТл)

    Естественные поля

    70 (магнитное поле Земли)

    Электропитание от сети

    (в домах, не расположенных вблизи линий электропередач)

    100

    0,2

    Электропитание от сети

    (под большими линиями электропередач)

    10 000

    20

    Электропоезда и трамваи

    300

    50

    Экраны телевизоров и компьютеров

    (на рабочем месте)

    0.7

    Типичное максимальное общественное воздействие (Вт / м2)

    Теле- и радиопередатчики

    0,1

    Базовые станции мобильных телефонов

    0,110 53

    0,2

    Микроволновые печи

    0,5

    Источник: Европейское региональное бюро ВОЗ

    Как рекомендации претворяются в жизнь и кто их проверяет?

    Ответственность за исследование полей вокруг линий электропередач, базовых станций мобильной связи или любых других источников, доступных для широкой публики, лежит на государственных учреждениях и местных органах власти.Они должны обеспечить соблюдение правил.

    В отношении электронных устройств производитель несет ответственность за соблюдение стандартных ограничений. Однако, как мы видели выше, природа большинства устройств гарантирует, что излучаемые поля значительно ниже пороговых значений. Кроме того, многие ассоциации потребителей регулярно проводят тесты. В случае возникновения какой-либо особой озабоченности или беспокойства свяжитесь напрямую с производителем или обратитесь в местный орган здравоохранения.

    Вредно ли воздействие, превышающее нормы?

    Съесть банку с клубничным вареньем до истечения срока годности — это совершенно безопасно, но если вы потребляете варенье позже, производитель не может гарантировать хорошее качество еды. Тем не менее, даже через несколько недель или месяцев после истечения срока годности варенье, как правило, безопасно есть. Точно так же директивы по электромагнитному полю гарантируют, что в пределах заданного предела воздействия не произойдет никаких известных неблагоприятных последствий для здоровья. Большой коэффициент безопасности применяется к уровню, который, как известно, вызывает последствия для здоровья.Следовательно, даже если вы испытаете напряженность поля в несколько раз выше заданного предельного значения, ваше воздействие все равно будет в пределах этого запаса прочности.

    В повседневных ситуациях большинство людей не испытывают электромагнитных полей, превышающих нормативные пределы. Типичные экспозиции намного ниже этих значений. Однако бывают случаи, когда воздействие на человека на короткий период может приближаться к нормативам или даже превышать их. Согласно ICNIRP, радиочастотное и микроволновое воздействие следует усреднять по времени для устранения кумулятивных эффектов.В рекомендациях указан период усреднения по времени в шесть минут, и допустимы краткосрочные воздействия сверх установленных пределов.

    Напротив, воздействие низкочастотных электрических и магнитных полей в руководствах не усредняется по времени. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, в игру вступает еще один фактор, называемый связью. Связь относится к взаимодействию между электрическим и магнитным полями и обнаженным телом. Это зависит от размера и формы тела, типа ткани и ориентации тела относительно поля.Рекомендации должны быть консервативными: ICNIRP всегда предполагает максимальную связь поля с экспонируемым человеком. Таким образом, рекомендуемые пределы обеспечивают максимальную защиту. Например, даже несмотря на то, что значения магнитного поля для фенов и электробритв превышают рекомендуемые значения, чрезвычайно слабая связь между полем и головкой предотвращает индукцию электрических токов, которые могут превышать рекомендуемые пределы.

    Ключевые моменты

    • ICNIRP издает руководящие принципы на основе современных научных знаний.Большинство стран опираются на эти международные руководящие принципы для своих собственных национальных стандартов.
    • Стандарты для низкочастотных электромагнитных полей гарантируют, что наведенные электрические токи ниже нормального уровня фоновых токов внутри тела. Стандарты для радиочастоты и микроволн предотвращают последствия для здоровья, вызванные локальным нагреванием или нагреванием всего тела.
    • Рекомендации не защищают от возможных помех электромедицинским устройствам.
    • Максимальные уровни воздействия в повседневной жизни обычно намного ниже рекомендуемых пределов.
    • Из-за большого запаса прочности, воздействие сверх рекомендуемых пределов не обязательно вредно для здоровья. Кроме того, усреднение по времени для высокочастотных полей и предположение о максимальной связи для низкочастотных полей вносят дополнительный запас прочности.
    .

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *