электростатическое поле | это… Что такое электростатическое поле?

электростати́ческое по́ле

электрическое поле неподвижных электрических зарядов.

* * *

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРОСТАТИ́ЧЕСКОЕ ПО́ЛЕ, электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.
Электростатическое поле характеризуется напряженностью электрического поля (см. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ) Е, которая является его силовой характеристикой: Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд (см. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД), помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
Электростатическое поле является стационарным (постоянным), если его напряженность не изменяется с течением времени.

Стационарные электростатические поля создаются неподвижными электрическими зарядами.
Электростатическое поле однородно, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля, если вектор напряженности в различных точках различается, поле неоднородно. Однородными электростатическими полями являются, например, электростатические поля равномерно заряженной конечной плоскости и плоского конденсатора (см. КОНДЕНСАТОР (электрический)) вдали от краев его обкладок.
Одно из фундаментальных свойств электростатического поля заключается в том, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от траектории движения, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Следовательно, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными. То есть электростатическое поле — это потенциальное поле, энергетической характеристикой которого является электростатический потенциал (

см. ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ) , связанным с вектором напряженности Е соотношением:
Е = -gradj.
Для графического изображения электростатического поля используют силовые линии (см. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ) (линии напряженности) — воображаемые линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в каждой точке поля.
Для электростатических полей соблюдается принцип суперпозиции (см. СУПЕРПОЗИЦИИ ПРИНЦИП). Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. Напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженности полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.
Всякий заряд в окружающем его пространстве создает электростатическое поле. Чтобы обнаружить поле в какой-либо точке, надо поместить в точку наблюдения точечный пробный заряд — заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).
Поле, создаваемое уединенным точечным зарядом q, является сферически симметричным. Модуль напряженности уединенного точечного заряда в вакууме с помощью закона Кулона (см. КУЛОНА ЗАКОН) можно представить в виде:
Е = q/4pe_оr².
Где e_о — электрическая постоянная, = 8,85^.10^-12Ф/м.
Закон Кулона, установленный при помощи созданных им крутильных весов (см. Кулона весы (см. КУЛОНА ВЕСЫ)), — один из основных законов, описывающих электростатическое поле. Он устанавливает зависимость между силой взаимодействия зарядов и расстоянием между ними: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Эту силу называют кулоновской, а поле — кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q см. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ) среды) меньше, чем в вакууме.
Экспериментально установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда. Электрическое поле можно характеризовать значением потока вектора напряженности электрического поля, который можно рассчитать в соответствии с теоремой Гаусса ( см. ГАУССА ТЕОРЕМА). Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и зарядом внутри этой поверхности. Поток напряженности зависит от распределения поля по поверхности той или иной площади и пропорционален электрическому заряду внутри этой поверхности.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле, то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила. В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, компенсирует полностью внешнее поле, т. е. установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в ноль: во всех точках внутри проводника Е = 0, то есть поле отсутствует. Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля, вдоль поверхности провод­ника и по поверхности протекал бы ток. Заряды располагаются только на поверхности проводника, при этом все точки поверхности проводника имеют одно и то же значение потенциала. Поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью ( см. ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ). Если в проводнике есть полость, то электрическое поле в ней также равно нулю; на этом основана электростатическая защита электрических приборов.
Если в электростатическое поле поместить диэлектрик, то в нем происходит процесс поляризации — процесс ориентации диполей ( см. ДИПОЛЬ) или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей. В однородном диэлектрике электростатическое поле вследствие поляризации (см. Поляризация диэлектриков) убывает в ? раз.

Электростатическим называется поле. Электростатическое поле

Закон Кулона определяет силу взаимодействия между электрическими зарядами, но не объясняет, как это взаимодействие передается на расстояние от одного тела к другому.

Опыты показывают, что это взаимодействие наблюдается и тогда, когда наэлектризованные тела находятся в вакууме. Значит, для электрического взаимодействия не нужна среда. По теории, развитой М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, в пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле.

Электростатическое поле — особый вид материи, ее источником являются неподвижные относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчета (ИСО) заряды, посредством которой осуществляется их взаимодействие.

Таким образом, электростатическое поле — материально. Оно непрерывно в пространстве. Исходя из современных представлений, неподвижная заряженная частица является источником электростатического поля, а наличие поля — признаком существования самой заряженной частицы. Взаимодействие электрических зарядов сводится к следующему: поле заряда

q 1 действует на заряд q 2 , а поле заряда q 2 действует на заряд q 1 . Эти взаимодействия передаются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света с = 300000 км/с. Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, относительно рассматриваемой ИСО называется электростатическим.

Мы не можем непосредственно воспринимать электростатическое поле с помощью наших органов чувств. О существовании электростатического поля мы можем судить по его действиям. Электростатическое поле заряда действует с некоторой силой на любой другой заряд, оказавшийся в поле данного заряда.

Сила, с которой электростатическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называется

электрической силой .

Действие электростатического поля на заряд зависит от расположения заряда в этом поле.

Если есть несколько заряженных тел, расположенных в различных точках пространства, то в любой точке этого пространства будет проявляться совместное действие всех зарядов, т.е. электростатического поля, создаваемого всеми этими заряженными телами.

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 214-215.

Е , которая является его силовой характеристикой: Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд , помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Электростатическое поле является стационарным (постоянным), если его напряженность не изменяется с течением времени. Стационарные электростатические поля создаются неподвижными электрическими зарядами.

Электростатическое поле однородно, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля, если вектор напряженности в различных точках различается, поле неоднородно. Однородными электростатическими полями являются, например, электростатические поля равномерно заряженной конечной плоскости и плоского конденсатора вдали от краев его обкладок.

Одно из фундаментальных свойств электростатического поля заключается в том, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от траектории движения, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Следовательно, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными. То есть электростатическое поле — это потенциальное поле, энергетической характеристикой которого является электростатический потенциал , связанным с вектором напряженности Е соотношением:

Е = -gradj .

Для графического изображения электростатического поля используют силовые линии (линии напряженности) — воображаемые линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в каждой точке поля.

Для электростатических полей соблюдается принцип суперпозиции . Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. Напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженности полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Всякий заряд в окружающем его пространстве создает электростатическое поле. Чтобы обнаружить поле в какой-либо точке, надо поместить в точку наблюдения точечный пробный заряд — заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).

Поле, создаваемое уединенным точечным зарядом q , является сферически симметричным. Модуль напряженности уединенного точечного заряда в вакууме с помощью закона Кулона можно представить в виде:

Е = q/4pe о r 2 .

Где e о — электрическая постоянная, = 8, 85 . 10 -12 Ф/м.

Закон Кулона, установленный при помощи созданных им крутильных весов (см. Кулона весы), — один из основных законов, описывающих электростатическое поле. Он устанавливает зависимость между силой взаимодействия зарядов и расстоянием между ними: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Эту силу называют кулоновской, а поле — кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q ? раз (? — диэлектрическая проницаемость среды) меньше, чем в вакууме.

Экспериментально установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда. Электрическое поле можно характеризовать значением потока вектора напряженности электрического поля, который можно рассчитать в соответствии с теоремой Гаусса . Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и зарядом внутри этой поверхности. Поток напряженности зависит от распределения поля по поверхности той или иной площади и пропорционален электрическому заряду внутри этой поверхности.

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле, то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила. В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, компенсирует полностью внешнее поле, т. е. установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в ноль: во всех точках внутри проводника Е = 0, то есть поле отсутствует. Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля, вдоль поверхности провод­ника и по поверхности протекал бы ток. Заряды располагаются только на поверхности проводника, при этом все точки поверхности проводника имеют одно и то же значение потенциала. Поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью . Если в проводнике есть полость, то электрическое поле в ней также равно нулю; на этом основана электростатическая защита электрических приборов.

Если в электростатическое поле поместить диэлектрик, то в нем происходит процесс поляризации — процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей. В однородном диэлектрике электростатическое поле вследствие поляризации (см. Поляризация диэлектриков) убывает в? раз.

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех заряженных элементарных частиц одинаков по абсолютной величине и равен 1,6×10 –19 Кл. Носителем элементарного отрицательного электрического заряда является, например, электрон. Протон несет положительный заряд, нейтрон электрического заряда не имеет. Атомы и молекулы всех веществ построены из протонов, нейтронов и электронов. Обычно протоны и электроны присутствуют в равных количествах и распределены в веществе с одинаковой плотностью, поэтому тела нейтральны. Процесс электризации заключается в создании в теле избытка частиц одного знака или в их перераспределении (создании в одной части тела избытка заряда одного знака; при этом в целом тело остается нейтральным).

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами осуществляется через особую форму материи, называемую электрическим полем . Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электростатическое поле. Это поле проявляет себя в силовом действии на любой электрический заряд, помещенный в какую-либо его точку. Опыт показывает, что отношение силы , действующей на точечный заряд q , помещенный в данную точку электростатического поля, к величине этого заряда для всех зарядов оказывается одинаковым. Это отношение называется напряженностью электрического поляи является его силовой характеристикой:

Опытным путем установлено, что для электростатического поля справедлив принцип суперпозиции :электростатическое поле , порождаемое несколькими зарядами, равно векторной сумме электростатических полей , порождаемых каждым зарядом в отдельности:

Заряды, помещенные в электростатическое поле, обладают потенциальной энергией. Опыт показывает, что отношение потенциальной энергии W положительного точечного заряда q , помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда есть величина постоянная. Это отношение является энергетической характеристикой электростатического поля и называется потенциалом :

φ = W/q . (2.6.7)

Потенциал электростатического поля численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в бесконечность. Единица измерения вольт (В). Две характеристики электростатического поля – напряженность и потенциал связаны между собой соотношением [ср. с выражением (2.6.4)]

Знак “минус” указывает, что вектор напряженности электрического поля направлен в сторону уменьшения потенциала. Отметим, что если в некоторой области пространства потенциалы всех точек имеют одинаковый потенциал, то

Электростатическое поле также можно изображать графически с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой линией электрического поля называется воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности . Силовые линии электростатического поля оказываются разомкнутыми :они могут начинаться или заканчиваться только на зарядах либо уходить в бесконечность.

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля используют эквипотенциальные поверхности – поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одинаковое значение.

Легко показать, что силовая линия электростатического поля всегда пересекает эквипотенциальную поверхность под прямым углом. На рисунке 10 представлены силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечных электрических зарядов.

Рисунок 10 – Силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечных зарядов

Магнитное поле

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным . Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током и постоянные магниты. Название “магнитное поле” связывают с фактом ориентации магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (Х. Эрстед, 1820).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током, поворачивая их определенным образом. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого свободно устанавливается ось тонкой магнитной стрелки в направлении с юга на север или положительная нормаль к плоскому контуру с током.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Магнитная индукция в данной точке численно равна максимальному вращающему моменту, действующему на плоскую рамку с током с магнитным моментом p m =1 А×м 2:

B=M max /p m . (2.6.9)

Опытным путем установлено, что для магнитного поля также справедлив принцип суперпозиции :магнитное поле , порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме магнитных полей , порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности.

Действие одних заряженных тел на другие заряженные тела осуществляется без их прямого контакта, посредством электрического поля.

Электрическое поле материально . Оно существует независимо от нас и наших знаний о нем.

Электрическое поле создается электрическими зарядами и обнаруживается при помощи электрических зарядов по действию на них определенной силы.

Электрическое поле распространяется с конечной скоростью 300000 км/с в вакууме.

Так как одним из основных свойств электрического поля является его действие на заряженные частицы с определенной силой, то для введения количественных характеристик поля необходимо в исследуемую точку пространства поместить небольшое тело с зарядом q (пробный заряд). На это тело со стороны поля будет действовать сила

Если изменить величину пробного заряда, например, в два раза, в два раза изменится и сила, действующая на него.

При изменении величины пробного заряда в n раз, в n раз изменяется и сила, действующая на заряд.

Отношение же силы, действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, есть величина постоянная и не зависящая ни от этой силы, ни от величины заряда, ни от того, есть ли вообще в исследуемой точке поля какой-либо заряд. Это отношение обозначается буквой и принимается за силовую характеристику электрического поля. Соответствующая физическая величина называется напряженностью электрического поля .

Напряженность показывает, какая сила действует со стороны электрического поля на единичный заряд, помещенный в данную точку поля.

Чтобы найти единицу напряженности, надо в определяющее уравнение напряженности подставить единицы силы – 1 Н и заряда – 1 Кл. Получаем: [ E ] = 1 Н / 1 Кл = 1 Н/Кл.

Для наглядности электрические поля на чертежах изображаются с помощью силовых линий.

Электрическое поле может совершать работу по перемещению заряда из одной точки в другую. Следовательно, заряд, помещенный в заданную точку поля, обладает запасом потенциальной энергии .

Энергетические характеристики поля можно ввести аналогично введению силовой характеристики.

При изменении величины пробного заряда, меняется не только сила, действующая на него, но и потенциальная энергия этого заряда. Отношение же энергии пробного заряда, находящегося в данной точке поля, к величине этого заряда, является величиной постоянной и не зависящей ни от энергии, ни от заряда.

Чтобы получить единицу потенциала, надо в определяющее уравнение потенциала подставить единицы энергии – 1 Дж и заряда – 1 Кл. Получаем: [φ] = 1 Дж / 1 Кл = 1 В.

Эта единица имеет собственное наименование 1 вольт.

Потенциал поля точечного заряда прямо пропорционален величине заряда, создающего поле и обратно пропорционален расстоянию от заряда до данной точки поля:

Электрические поля на чертежах можно изображать и с помощью поверхностей равного потенциала, называемых эквипотенциальными поверхностями .

При перемещении электрического заряда из точки с одним потенциалом в точку с другим потенциалом совершается работа.

Физическая величина, равная отношению работы по перемещению заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда, называется электрическим напряжением :

Напряжение показывает, чему равна работа, совершаемая электрическим полем при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую.

Единицей напряжения, так же как и потенциала, является 1 В.

Напряжение между двумя точками поля, расположенными на расстоянии d друг от друга, связано с напряженностью поля:

В однородном электрическом поле работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории и определяется только величиной заряда и разностью потенциалов точек поля.

Электростатическое поле также как и электрическое поле является особой формой материи, которая окружает тела, имеющие электрический заряд . Но в отличие от последнего, электростатическое поле создается только вокруг неподвижных заряженных тел, то есть, когда нет условий для создания электрического тока .

Электростатическое поле характеризуется свойствами, которые отличают его от других видов полей, образующихся в электрических цепях .

Основное его отличие заключается в том, что его силовые линии никогда не пересекаются и не касаются друг друга. Если электростатическое поле создано положительным зарядом, то его силовые линии начинаются с заряда и заканчиваются где-то в бесконечности. Если мы имеем дело с отрицательным зарядом, то силовые линии его электростатического поля наоборот начинаются где-то в бесконечности, а заканчиваются на самом заряде. То есть они направлены от положительного заряда или к отрицательному.

Кстати чем больше заряд, тем более сильное поле он создает и тем большая густота его силовых линий. Правда силовые линии поля – это скорее графическое (воображаемое) его изображение, принятое в физике и электронике. На самом деле четких отчерченных линий ни одно из полей не создает.

Основная характеристика, по которой судят о электрических и физических свойствах электростатического поля – это его напряженность. Она показывает, с какой силой поле действует на электрические заряды.

Какое поле называется электростатическим?

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 3Следующая ⇒ 1.28.1. Электрическое поле, создаваемое равномерно движущимися зарядами 1.28.2. Электрическое поле, быстро меняющееся во времени 1.28.3. Электрическое поле, создаваемое переменным током низкой частоты° 1.28.4. Электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами   1.29.Две синусоидальные величины находятся в противофазе, какой угол между векторами этих величин? 1.29.1. 90° 1.29.2. 0° 1.29.3. 180° 1.29.4. 45° 1.29.5. 120°   1.30. Во сколько раз амплитудное значение синусоидального напряжения (тока) больше действующего значения синусоидального напряжения (тока): 1.30.1. В 2 раза 1.30.2. В раза 1.30.3. В раза 1.30.4. В 0,707 раза   1. 31. Конденсатор 0,02 мкФ и конденсатор 0,047 мкФ соединены параллельно. Общая эквивалентная емкость равна: 1.31.1. 0,0094 мкФ 1.31.2. 0,014 мкФ 1.31.3. 0,0335 мкФ 1.31.4. 0,067 мкФ   1.32. Явление направленного движения свободных носителей заряда в веществе называется: 1.32.1.Током переноса 1.32.2.Током проводимости 1.32.3.Плотностью электрического тока 1.32.4.Силой тока 1.32.5.Током смещения     Нужно ли изменять емкость конденсатора, чтобы при неизменном напряжении между его пластинами, заряд увеличился? Если да, то как? 1.33.1. Да. Увеличить 1.33.2. Да. Уменьшить 1.33.3. Оставить без изменений   1.34. Угол между индуктивным током и вектором напряжения: Вектор напряжения опаздывает от тока на 90° Вектор напряжения опережает ток на угол напряжения Вектор напряжения опережает ток на угол тока Вектор напряжения опережает ток на 90° Вектор напряжения равен вектору по току 1. 35. Полная мощность измеряется: В/А ВА ВАР Вт ВАт     1.36. Определить емкостное сопротивление конденсатора , если C = 25 пФ, а частота ЭДС питающего генератора f = 3,2 кГц. 1.36.1. 1,8 МОм 1.36.2. 15 МОм 1.36.3. 22 МОм 1.36.4. 2 МОм 1.36.5. 6,6 МОм   1.37. Определить емкость конденсатора, если при колебаниях тока с периодом T = 3 мс его сопротивление = 420 Ом. 1.37.1. 1,1 мкФ 1.37.2. 2,2 мкФ 1.37.3. 3,3 мкФ 1.37.4. 4,4 мкФ   1.38. Определить индуктивное сопротивление катушки, если ее индуктивность L = 200 мГн, а частота ЭДС питающего генератора f = 2 кГц 1.38.1. 0,16 кОм 1.38.2. 0,35 кОм 1.38.3. 0.25 кОм 1.38.4. 15,5 кОм 1.38.5. 2,5 кОм 1.38.6. 4,5 кОм   Добротность резонансного контура 1. 39.1. Q= /R 1.39.2. Q= 1.39.3. Q= 1.39.4. Q=LC/ 1.39.5. Q=1/   Формулировка I закона Кирхгофа. 1.40.1. Алгебраическая сумма токов ветвей, образующих в электрической цепи замкнутый контур, равна нулю 1.40.2. Алгебраическая сумма токов ветвей, подключенных к узлу электрической цепи, равна нулю 1.40.3. Алгебраическая сумма токов ветвей, подключенных между одной и той же парой узлов, равна нулю 1.40.4. Сумма токов ветвей, подключенных к узлу электрической цепи, равна нулю   1.41. Потребляется ли энергия контуром при резонансе токов, если R = 0. 1.41.1. Да 1.41.2. Нет 1.41.3. Это зависит от соотношения U и I   При каких условиях в цепях переменного тока возникает резонанс напряжений? 1.42.1. = 1.42.2. < 1.42.3. >   1.43. Параллельно катушке индуктивности (R = 4 Ом, L = 0,01 Гн) включен конденсатор емкостью 100 мкФ. Чему равна резонансная частота? 1.43.1. 888 рад/с 1.43.2. 1024 рад/с 1.43.2. 655 рад/с 1.43.3. 916 рад/с   При неизменном напряжении увеличили расстояние между пластинами конденсатора. Как изменится при этом заряд конденсатора? 1.44.1. Не изменится 1.44.2. Увеличится 1.44.3. Уменьшится   При последовательном соединении двух конденсаторов, подключенных к источнику питания, один оказался пробитым. Как изменится запас прочности другого конденсатора? 1.45.1. Не изменится 1.45.2. Увеличится 1.45.3. Уменьшится Что является величиной, численно равной работе по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в точку электромагнитного поля? 1.46.1. Напряжение 1.46.2. Потенциал поля 1.46.3. Сила тока 1.46.4. ЭДС 1.46.5. Электрическая мощность   С помощью реостата ток в цепи уменьшился с 2 до 1А, а напряжение на реостате возросло с 20 до 30 В. Во сколько раз изменилось сопротивление реостата? 1.47.1. В 2 раза 1.47.2. В 3 раза 1.47.3. В 4 раза 1.47.4. В 6 раз   1.48. Направление магнитного поля тока может быть определено с помощью: 1.48.1. Правила правой руки 1.48.2. Правила буравчика 1.48.3. Правила левой руки 1.48.4. Правила буравчика и правила правой руки   Чему равно сопротивление конденсатора без потерь переменному току? 1.49.1. Бесконечности 1.49.2. Равно нулю 1.49.3. Это зависит от емкости конденсатора   От чего зависит угол j между напряжением и током? 1.50.1. От соотношения активного сопротивления и напряжения цепи 1.50.2. От соотношения активного и реактивного сопротивления цепи 1.50.3. От величины полной мощности цепи 1.50.4. От внутреннего сопротивления источника ЭДС   Электрическое сопротивление человека 5000 Ом. Какой ток проходит через него, если человек находится под напряжением 380 В? 1.51.1. 19 мА 1.51.2. 38 мА 1.51.3. 76 мА 1.51.4. 100 мА   Раздел 2. Вопросы на «4» и «5» ⇐ Предыдущая123Следующая ⇒ Читайте также:

Вопрос: Какое электрическое поле называется однородным полем? Ответ на вопрос – iq2u

Точные науки Физика

Ответ:

Поле, в каждой точке которого вектор напряженности имеет одинаковый модуль и направление.

Проверь себя, пройди тесты онлайн

Физика. Закон Джоуля — Ленца. 8 класс

Статистика теста

0–25% 1005 человек
26–50% 1120 человек
51–75% 1129 человек
76–100% 2252 человека

0% Пройти тест

Физика. Сила тока. 8 класс

Статистика теста

0–25% 7257 человек
26–50% 9037 человек
51–75% 4654 человека
76–100% 3324 человека

0% Пройти тест

Физика. Механическая энергия и КПД. 7 класс.

Статистика теста

0–25% 3054 человека
26–50% 4629 человек
51–75% 2358 человек
76–100% 3378 человек

0% Пройти тест

Количество теплоты. 8 класс

Статистика теста

0–25% 827 человек
26–50% 2786 человек
51–75% 3728 человек
76–100% 3172 человека

0% Пройти тест

все тесты

Что? Где? Когда? Эрудит онлайн: ответы на вопросы:

• Какое еще действие, кроме теплового и химического, оказывает электрический ток?
• Какое из утверждений верно?
• Как называется сила, с которой ведро действует на пол?»> На полу стоит ведро. Как называется сила, с которой ведро действует на пол?
• Какое количество вещества (в молях) составляют 5,418 · 10²⁶ молекул?
• Какое направление принято за направление магнитной линии магнитного поля?
• Вокруг каких зарядов — неподвижных или движущихся — существует электрическое поле, вокруг каких — магнитное поле?
• Т. Твардовского называют поэтической энциклопедией Великой Отечественной войны?»> Какое произведение А.Т. Твардовского называют поэтической энциклопедией Великой Отечественной войны?
• Какое из ниженазванных веществ не притягивается к магниту?
• Какое стихотворение написал С.А. Есенин?
• В каком случае работа при перемещении электрического заряда в электрическом поле равна нулю?
• Какое наречие пишется с НЕ слитно?
• Г. Белинский назвал "энциклопедией русской жизни"?»> Какое произведение В.Г. Белинский назвал «энциклопедией русской жизни»?
• Какое сопротивление проводника принято за единицу сопротивления?
• Какое движение называют тепловым?
• В проводнике, включенном в цепь на 2 мин, сила тока была равна 700 мА. Какое количество электричества прошло через его сечение за это время?

PhysBook:Электронный учебник физики — PhysBook

Содержание

• 1 Учебники
• 2 Механика
  • 2. 1 Кинематика
  • 2.2 Динамика
  • 2.3 Законы сохранения
  • 2.4 Статика
  • 2.5 Механические колебания и волны
• 3 Термодинамика и МКТ
  • 3.1 МКТ
  • 3.2 Термодинамика
• 4 Электродинамика
  • 4.1 Электростатика
  • 4.2 Электрический ток
  • 4. 3 Магнетизм
  • 4.4 Электромагнитные колебания и волны
• 5 Оптика. СТО
  • 5.1 Геометрическая оптика
  • 5.2 Волновая оптика
  • 5.3 Фотометрия
  • 5.4 Квантовая оптика
  • 5.5 Излучение и спектры
  • 5.6 СТО
• 6 Атомная и ядерная
  • 6.1 Атомная физика. Квантовая теория
  • 6.2 Ядерная физика
• 7 Общие темы
• 8 Новые страницы

Здесь размещена информация по школьной физике:

1. материалы из учебников, лекций, рефератов, журналов;
2. разработки уроков, тем;
3. flash-анимации, фотографии, рисунки различных физических процессов;
4. ссылки на другие сайты

и многое другое.

Каждый зарегистрированный пользователь сайта имеет возможность выкладывать свои материалы (см. справку), обсуждать уже созданные.

Учебники

Формулы по физике – 7 класс – 8 класс – 9 класс – 10 класс – 11 класс –

Механика

Кинематика

Основные понятия кинематики – Прямолинейное движение – Криволинейное движение – Движение в пространстве

Динамика

Законы Ньютона – Силы в механике – Движение под действием нескольких сил

Законы сохранения

Закон сохранения импульса – Закон сохранения энергии

Статика

Статика твердых тел – Динамика твердых тел – Гидростатика – Гидродинамика

Механические колебания и волны

Механические колебания – Механические волны

---

Термодинамика и МКТ

МКТ

Основы МКТ – Газовые законы – МКТ идеального газа

Термодинамика

Первый закон термодинамики – Второй закон термодинамики – Жидкость-газ – Поверхностное натяжение – Твердые тела – Тепловое расширение

---

Электродинамика

Электростатика

Электрическое поле и его параметры – Электроемкость

Электрический ток

Постоянный электрический ток – Электрический ток в металлах – Электрический ток в жидкостях – Электрический ток в газах – Электрический ток в вакууме – Электрический ток в полупроводниках

Магнетизм

Магнитное поле – Электромагнитная индукция

Электромагнитные колебания и волны

Электромагнитные колебания – Производство и передача электроэнергии – Электромагнитные волны

---

Оптика.

СТО

Геометрическая оптика

Прямолинейное распространение света. Отражение света – Преломление света – Линзы

Волновая оптика

Свет как электромагнитная волна – Интерференция света – Дифракция света

Фотометрия

Фотометрия

Квантовая оптика

Квантовая оптика

Излучение и спектры

Излучение и спектры

СТО

СТО

---

Атомная и ядерная

Атомная физика. Квантовая теория

Строение атома – Квантовая теория – Излучение атома

Ядерная физика

Атомное ядро – Радиоактивность – Ядерные реакции – Элементарные частицы

---

Общие темы

Измерения – Методы решения – Развитие науки- Статья- Как писать введение в реферате- Подготовка к ЕГЭ — Репетитор по физике

Новые страницы

Запрос не дал результатов.

Электрическое поле и его особенности. Электростатическое поле (заряженных неподвижных тел) | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Загрузка. ..

Тема:

Электрическое поле

Раздел:

Электрическое поле

Если тело имеет электрический заряд, то оно взаимодействует с другими телами. Рассмотрим подробнее само явление взаимодействия.

Укрепим металлический шар на стержне электрометра и зарядим его от эбонитовой палочки, потертой мехом. Стрелка откло­нится от положения равновесия и засви­детельствует, что шар имеет электрический заряд. Подвесим на тонкой нити легкую металлическую гильзу и начнем подносить ее к шару. На определенном расстоянии станет заметным притягивание гильзы к шару. Нить отклонится от вертикального по­ложения (рис. 4.12). Если же она прикоснется к шару, то сразу же оттолкнется от него. Если незаряженную гильзу подносят к заряженному шару, то на ближнем конце гильзы появляется заряд противоположного знака. Вследствие этого гильза притягивает­ся к шару и касается его. При прикосно­вении часть заряда шара компенсирует за­ряд противоположного знака на гильзе. Ос­тавшийся заряд перераспределяется между шаром и гильзой. Они заряжаются одно­именно и отталкиваются. Подобное взаимо­действие можно наблюдать и в вакууме.

Если заряженные полоски на нитях раз­местить под колпаком воздушного насоса и откачать из него воздух, то никаких из­менений во взаимодействии полосок не за­метим (рис. 4.13).

Мы привыкли к тому, что действие одного тела на другое передается вследст­вие непосредственного контакта между ни­ми. Так, вагон придет в движение лишь тогда, когда локомотив начнет его тянуть или толкать. Мяч изменит направление дви­жения после взаимодействия с ногой фут­болиста или стойкой ворот.

Рис. 4.12. Металлическая гильза при­тягивается к заряженному шару

Рис. 4.13. Электрические силы дейст­вуют и в вакууме

Каков же механизм взаимодействия за­ряженных тел?

Загрузка. ..

Майкл Фарадей (1791 — 1867) — извест­ный английский физик, основополож­ник учения об электромагнитном по­ле, один из основателей электрохимии, исследователь взаимодействия вещест­ва и магнитного поля.

Поиску ответов на данный вопрос по­святили жизнь многие ученые. И лишь вы­дающемуся английскому физику М. Фарадею удалось плодотворно осмыслить все извест­ные к тому времени знания из электричества и прийти к выводу о существовании элект­рического поля как вида материи.

Каковы же особенности электрического поля? Рассмотрим лишь самые общие из них.

Каждое заряженное тело или частица имеет электрическое поле.

Главным свойст­вом электрического поля является способность действовать на заряженные тела.

В со­ответствии с современными представления­ми, сложившимися на основании многочис­ленных исследований, взаимодействие заря­женных тел происходит потому, что на каж­дое из них действует поле другого тела.

Электрическое поле не имеет границ. Ес­ли и говорят об определенной «границе», то имеют в виду некоторую точку поля, в которой приборы уже не могут обнаружить это поле. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Если состояние одного из взаимодейст­вующих электрически заряженных тел из­меняется, то происходят изменения и в электрическом поле. Они распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света. Подобные представ­ления о взаимодействии электрически заря­женных тел кратко выражаются в принципе близкодействия: взаимодействие между мате­риальными объектами осуществляется лишь в случае их непосредственного контакта, а информация об изменении состояния од­ного из взаимодействующих объектов пере­дается с конечной скоростью.

Теоретическими исследованиями другого английского ученого Дж. Максвелла было ус­тановлено, что существует единое электро­магнитное поле, отдельным проявлением ко­торого является электрическое поле. В си­стеме отсчета, где заряженные тела непод­вижны, это поле называется электроста­тическим, то есть полем неподвижных за­ряженных тел.

На этой странице материал по темам:

• Взаимодействие заряженных тел майкл фарадей

• Особенности электрического поля

• Электрическое поле заряженных неподвижных тел

• Особенности электростатического поля

• Электрическое поле заряженных неподвижных тел доклад

Вопросы по этому материалу:

• Кто установил существование электрического ноля?

• В чем ценность теоретических исследований Дж. Максвелла?

• Какое поле называют электростатическим?

• Имеет ли границу электростатическое поле?

Материал с сайта http://WorldOfSchool. ru

Электростатическое экранирование – определение, области применения и часто задаваемые вопросы

Электростатический означает Статическое электричество.

 

Мы могли видеть цепь, свисающую с земли грузовика; это потому, что грузовики заряжаются от трения между ними и проносящимся мимо воздухом. Этот большой заряд может даже вызвать искру, что может быть опасно в случае бензовоза.

 

Заряд произвел утечку на землю через цепь, свисающую сзади грузовика. Поскольку заряд статичен и не может пройти сам по себе, поэтому их называют статическими зарядами или электростатикой. Эта цепь действует как электростатический экран для бензовоза.

 

Примечание. Некоторые объекты/области являются чувствительными и экранированы полым проводником вокруг них для защиты от интенсивных электрических полей посредством электростатического экранирования.

 

В этой статье мы собираемся практически понять, что такое электростатическое экранирование и его применение?

 

Что такое электростатическое экранирование?

Электростатическое экранирование представляет собой метод экранирования или защиты определенной области или пространства или любого чувствительного здания/прибора от воздействия внешнего поля, создаваемого электрическим зарядом.

 

Например, прибор, используемый для измерения высокого напряжения, а именно: CRO хранится внутри полого проводника или клетки, называемой клеткой Фарадея.

 

Согласно практической демонстрации электростатического экранирования, факт хранения этого прибора внутри проводника заключается в том, что внутри замкнутого проводника отсутствует электрический заряд, когда внутри него нет заряда.

 

Майкл Фарадей взял высоковольтный генератор, подготовил большую проволочную клетку, поддерживаемую изоляторами, и посадил внутрь клетки электроскопы с сусальным золотом, которые были детекторами электрического поля.

 

Когда эта клетка была заряжена индукционной машиной, Фарадей не заметил отклонения в электроскопах. Кроме того, он мог безопасно и удобно сидеть внутри клетки.

 

Итак, полые проводники работают как защитный слой для людей и устройств от мощных электрических полей. Эти полые проводники или клетки Фарадея используются, чтобы препятствовать тому, чтобы электрические заряды устанавливались в одном месте, создавая электрическое поле за пределами их непосредственной близости и окружая заряды клеткой Фарадея и соединяя эту клетку с землей.

 

Знаете ли вы, почему мы заземлили клетку?

Это потому, что если клетка не заземлена или не заземлена, электроны будут распределяться таким образом, что внутренняя стенка клетки приобретет заряд, противоположный этому внутреннему заряду. Это, в свою очередь, оставит заряд внешней стены противоположным заряду внутренней.

                       

Далее происходит следующее: после заземления клетки избыточный заряд, индуцированный вокруг нее, уходит на землю, и внешнее поле отсутствует. Так это было в том случае, когда мы хотели выпустить заряд. Однако, если мы хотим запечатать что-то внутри клетки, это не должно быть заземлено.

 

Что такое электростатическое экранирование в физике?

Теперь мы сосредоточимся на том, насколько чувствительны электрические приборы и почему они должны быть экранированы?

 

Прибор, который необходимо защитить от внешнего электрического поля, помещают внутрь токопроводящей коробки (из меди) и рядом с этой коробкой размещают генератор Ван де Граффа.

 

Электрическое поле, создаваемое вокруг генератора, перемещает электроны к этому проводящему телу с одной стороны на другую, таким образом, создавая положительный заряд на другой стороне коробки. Далее, это распределение заряда создает электрическое поле.

 

Теперь, согласно закону Гаусса, суммарное электрическое поле в каждой точке внутри проводника равно нулю. Итак, возникает вопрос, защищает ли проводник прибор от внешнего электрического поля?

 

Да, это так. Это потому, что когда электрическое поле воздействует на клетку Фарадея (коробка из меди), заряды с клеткой перестраиваются, чтобы непосредственно уравновесить поле и, следовательно, экранировать (защищать) внутреннюю часть клетки от внешнего электрического поля.

 

Применение электростатического экранирования

Электростатическое экранирование означает защиту области от опасностей, а именно: внешнего электрического поля.

 

Теперь давайте рассмотрим применение электростатического экранирования:

Концепция электростатического экранирования используется в проводах, передающих аудиосигналы. защитить их от внешних помех, а именно: электрического поля, создаваемого атмосферным электричеством или электрическими искрами.

 

Лифты в зданиях действуют как электростатический экран, поскольку экранируются мобильные телефоны, радио и аудиосигналы.

Коаксиальные кабели во внешнем проводнике соединены с землей для обеспечения электростатического экранирования сигналов, передаваемых по центральному проводнику.

 

Клетка Фарадея

Клетка Фарадея, также известная как экран Фарадея, представляет собой тип оболочки, созданной для того, чтобы полностью исключить электрическое поле из проводящих материалов. Он был назван в честь своего изобретателя Майкла Фарадея, который спроектировал этот корпус в 1800 году. Однажды он обнаружил, что когда металлическая клетка, работающая как электрический проводник, заряжается, заряд концентрируется на поверхности металла. и внутренняя часть этой клетки лишается какого-либо заряда, это не оказывает никакого влияния на внутреннюю часть металлической клетки.

 

В более широком масштабе он обернул вокруг своей комнаты металлическую фольгу и с помощью электростатического генератора поместил высоковольтный заряд в эту металлическую фольгу. И теперь, чтобы подтвердить свою гипотезу, он использовал электрическое устройство под названием электроскоп, чтобы нанести на карту всю комнату, и обнаружил, что его гипотеза верна, что единственный присутствующий там заряд сосредоточен в металлической фольге, а внутренности комнаты лишены любого заряда.

 

Применение клетки Фарадея

Вот некоторые из основных применений клетки Фарадея в реальной жизни:

• Помещения для сканирования МРТ: Помещения построены специально для предотвращения смешивания внешних радиочастот с данными МРТ. В этом случае комната действует как клетка Фарадея.

• Микроволновые печи: Механизм, используемый в микроволновых печах, также использовал ту же концепцию клетки Фарадея, но не в полном смысле этого слова.

• Клетка Фарадея широко используется в аналитической химии для выполнения чрезвычайно деликатных задач, что позволяет получать данные с большей точностью.

 

Заключение

Получение полного представления об электростатическом экранировании и его применении, безусловно, поможет понять, как оно работает.

Электростатическое экранирование | Гарвардские естественные науки Лекции Демонстрации

Как работает экранирование? Это улица с двусторонним движением и работает в обе стороны? Могут ли электрические поля не проникать через металлы? В чем дело? Эта последовательность демонстраций отвечает на эти вопросы.

Что показывает:

(1) Экранирование изнутри снаружи . Хорошо известно, что внутри полого проводника не существует электрических полей, даже если снаружи имеются заряды. Проводник действует как электростатический экран. Это верно только в том случае, если проводник находится под постоянным потенциалом. Действительно, предполагая электростатическое равновесие и понятие эквипотенциальной поверхности, можно утверждать от противного, что внутри не может быть электрического поля. Несмотря на то, что закон Гаусса доказывает, что так и должно быть, нюансы мешают многим студентам понять, что происходит. Используя «сегментированный экран», можно продемонстрировать, что электростатическое экранирование не работает, когда потенциал непостоянен. Когда это является константой , экранирующий эффект возникает из-за наложения поля от внешнего распределения заряда и противодействующего «заднего поля» полого проводника. На этой демонстрации можно непосредственно наблюдать «заднее поле».

(2) Экранирование снаружи изнутри . Заряд внутри полого проводника создает распределение заряда на внешней поверхности проводника, и это индуцированное распределение заряда создает электрическое поле снаружи замкнутого проводника. Опять же, закон Гаусса говорит нам, что так и должно быть. Пробный заряд (щуп), расположенный вне проводника, кажется, отталкивается от заряда внутри проводника одинаково, независимо от того, есть ли проводящий экран. Таким образом, электростатическое экранирование не работает в обе стороны. (Обратите внимание, что поле снаружи будет зависеть от формы экрана и никоим образом не отражать распределение внутреннего заряда. Например, если экран представляет собой металлическую сферу, поле снаружи будет кулоновским и радиальным. Не так, если это коробка) Однако внешнее экранирование может быть выполнено путем заземления проводника. Это позволяет зарядам течь (от земли) на проводник, создавая электрическое поле, противоположное полю заряда внутри полого проводника. Тогда проводник действует как электростатический экран в результате наложения двух полей.

(3) Экранирование с неметаллическими корпусами . Эффект электростатического экранирования можно обеспечить даже с помощью изоляционных материалов, таких как бумага и/или картон. С течением времени поверхностные заряды будут мигрировать и перестраиваться под влиянием внешних зарядов. Наложение полей поверхностных зарядов и внешних зарядов приводит к нулевому полю внутри картонного корпуса. Опять же, на этой демонстрации можно непосредственно наблюдать «заднее поле». В отличие от металлических корпусов, в которых эффект экранирования практически мгновенный, для картонных корпусов временная шкала находится в диапазоне от 15 до 30 секунд. Для сравнения, протирание поверхности картона графитным карандашом резко сокращает шкалу времени.

Как это работает:

Электростатический датчик обнаружения во всех этих экспериментах представляет собой либо крошечный заряженный сердцевинный шарик, либо электростатический «компас», оба из которых подвешены на шелковой нити. Компас представляет собой электрический диполь в форме стрелки, указывающий направление электрического поля.

Эксперименты проводятся на диапроекторе и становятся видимыми с помощью теневой проекции на экране. В качестве альтернативы, при желании, можно использовать видеопроекцию.

(1) Экранирование изнутри снаружи :

Цилиндрическая металлическая банка (без верха и дна, для обзора) служит экраном. Детектором электрического поля служит электростатический компас, подвешенный в середине цилиндра на шелковой нити. Когда заряженный предмет подносится к банке, компас не реагирует и указывает в случайном направлении. Это поведение одинаково независимо от того, заземлен металлический экран или нет; экран представляет собой эквипотенциальную поверхность с заземлением или без него. Цилиндрическая проволочная сетка также работает. Цилиндрические щиты примерно 5 дюймов в высоту и 5 дюймов в диаметре.

«Сегментированный экран» состоит из двенадцати медных полос шириной 1 дюйм и длиной 6 дюймов. Они электрически изолированы друг от друга и образуют цилиндр диаметром 4 дюйма. Электростатический компас, подвешенный в середине цилиндра на шелковой нити, служит детектором электрического поля. Если поднести к цилиндру заряженный предмет, электростатический компас внутри цилиндра не экранирован от этого заряженного объекта и направлен на него, потому что медные полоски, из которых состоит цилиндр, имеют разный потенциал и просто поляризуются в присутствии заряженного объекта. заземляют все медные полоски (либо касаясь их всех руками, либо проводом), тогда электростатический компас становится экранированным и уже не указывает на заряженный объект вне цилиндра.Эффект экранирования возникает из-за наложения поля от внешнего распределения заряда и противоположного распределения заряда, которое было индуцировано на медных полосках. Это индуцированное распределение заряда, или «заднее поле», может быть «заморожено на месте» с помощью удаление провода, соединяющего полосы. Когда это сделано, внутреннее поле по-прежнему является комбинацией внешнего заряженного объекта и распределения заряда на медных полосках и равно нулю. Теперь «заднее поле» можно сделать непосредственно наблюдаемым, просто убрав заряженный объект, после чего электростатический компас снова «видит» электрическое поле и указывает на него. Но сейчас он в в противоположном направлении от того места, где раньше находился заряженный объект! Другими словами, внутри металлического цилиндра поле, вызванное зарядами на цилиндре, является отрицательным полем, вызванным заряженным объектом вне цилиндра. Именно векторная сумма этих двух полей равна нулю внутри цилиндра.

Вышеприведенное обсуждение подытожено в следующем видео:

Установка:

Мы используем специальную тележку с кодоскопом. Изображение проецируется тенью на экран, установленный по обе стороны от передней доски.

Комментарии:

Эта последовательность демонстраций была задумана профессором Питером Хеллером из Университета Брандейса и разработана в сотрудничестве с ним.

Узнайте об электрических силах и полях

Электрические силы и поля Определение

Когда две заряженные частицы или объекты сближаются, они воздействуют друг на друга. Эта сила называется электрической силой. Он может быть притягивающим или отталкивающим, в зависимости от заряда вовлеченных частиц. Это векторная величина.

Диапазон, в котором электрическая сила одной заряженной частицы ощущается другой заряженной частицей, называется электрическим полем первой частицы. Электрическое поле также является векторной величиной. Направление создаваемого поля зависит от знака заряженной частицы.

Обзор электрических сил и полей

Термины «электрическое поле» и «электрическая сила» широко используются в электростатике. Электрическая сила — это фундаментальная сила, и она настолько важна, что само существование атома зависит от этой силы. Говоря об электрической силе и электрическом поле, мы рассматриваем неподвижные частицы, т.е. либо все рассматриваемые заряженные частицы покоятся, либо находятся в инерциальной системе отсчета. Электрические поля и силы также могут создаваться изменяющимися во времени магнитными полями, но это относится к области электродинамики. Электростатика имеет дело с неподвижными или стационарными зарядами и подчиняется закону Гаусса.

Есть вопрос по этой теме?

Чему вы научитесь:

• Определение электрических сил и полей
• Обзор электрических сил и полей
• Расчет электрической силы:
• Расчет электрического поля
• Применение электрической силы и электрического поля:
  196 вопрос

Расчет электрической силы:

Электрическая сила существует между всеми видами заряженных частиц. Это фундаментальная сила в физике, которая объясняет многие природные явления.

Есть два типа основных зарядов: положительные и отрицательные. Они взаимодействуют друг с другом посредством электрической силы или, лучше сказать, электростатической силы. При взаимодействии двух одноименных зарядов (++ или —) они отталкиваются друг от друга, а при взаимодействии двух противоположных зарядов (+- или -+) притягиваются.

Основными заряженными частицами внутри атома являются протоны и электроны. Они взаимодействуют друг с другом с помощью электрической силы. Протоны заряжены положительно, а электроны — отрицательно, и причина, по которой они удерживают друг друга внутри атома, — электрическая сила. 9{ — 2}}} \right][MLT-2]. Электрическая сила подчиняется принципу суперпозиции, то есть сила, действующая на точечный заряд из-за нескольких других точечных зарядов, будет векторной суммой отдельных сил, действующих на этот конкретный заряд.

Расчет электрического поля

Электрическое поле — это диапазон, в котором ощущается электрическая сила заряженной частицы. Теоретически он простирается до бесконечности. Для изолированного положительного заряда линии электрического поля начинаются с заряда, а для изолированного отрицательного заряда силовые линии электрического поля заканчиваются в заряде. Другими словами, мы можем сказать, что электрическое поле возникает из положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.

Математически электрическое поле в точке измеряется силой, испытываемой единичным зарядом, помещенным в эту точку в электрическое поле.

Если в определенной точке находится заряд q и мы хотим вычислить электрическое поле, создаваемое этим зарядом на определенном расстоянии r, то нам сначала понадобится единичный точечный заряд, т. е. заряженная частица, имеющая единичную стоимость. Хотя единичный заряд является теоретической концепцией, поскольку в определенной точке не может быть независимого заряда в 1 кулон. Для практических целей заряд электрона принимается за основную величину заряда, которая имеет значение 1,602×10–19. { — {\rm{1}}}}{\rm{]}}[LMT-3A-1].

Применения электрической силы и электрических полей:

Некоторые применения электрической силы и электрических полей обсуждаются ниже:

• Генератор Ван де Граффа: Роберт Ван де Графф в 1931 году построил устройство для демонстрации использования статического электричества для создания высокого напряжения, используя понятия электрической силы. С помощью этого устройства можно генерировать до 15 миллионов вольт.

• Ксерография: В настоящее время копировальные машины широко используются для изготовления копий печатных материалов. Эти машины работают по принципу электрических полей и электрических сил, используя процесс, называемый ксерографией.

• Лазерные принтеры: Лазерные принтеры также используют процесс ксерографии для печати высококачественных изображений на бумаге. Лазер используется для создания изображения на фотопроводящем барабане, расположенном внутри принтера, который, в свою очередь, печатает изображение на страницах. Весь процесс может показаться сложным, но основным принципом работы лазерного принтера является электрическое поле и электрическая сила.

Практический вопрос

Теперь попробуйте сами и примените полученные знания к практическому вопросу ниже.

Заряженная частица помещена в электрическое поле, создаваемое заряженным облаком, и на нее действует электростатическая сила, направленная вниз. Найдите величину электрического поля.

Выберите ответ

выбор AA

выбор BB

выбор CC

выбор DD

Хотите попрактиковаться в подобных вопросах об электрических силах и полях?

Практикуйтесь больше

Продолжайте учиться

Что изучать дальше на основе учебной программы колледжа

Направление электрического поляВеличина электрического поляЭлектрометрЛинии электрического поляЭлектрический потокКулонВыражение для электрического потокаПоляризация зарядов

Что такое электростатическое экранирование в электронике? | Блог системного анализа

Ключевые выводы

• Отказы, вызванные событиями статического электричества, могут быть обобщены как катастрофические отказы, скрытые отказы и аварийные отказы.

• Электростатическое экранирование образует барьер, который изолирует чувствительную схему внутри от сильного внешнего электрического поля.

• В электростатических экранах допускается включение небольших отверстий, так как электрическое поле внутри полости для таких отверстий сколь угодно мало.

 

Клетка Фарадея является примером электростатического экранирования в электронных схемах

Статические заряды присутствуют повсюду. В электронных схемах накопление статических зарядов вызывает появление токов при физическом контакте с противоположно заряженными объектами. Наличие статических зарядов делает электронные схемы уязвимыми к повреждениям. Уязвимость или чувствительность к статическому электричеству (иначе называемому электростатическим разрядом, ESD) в высокоскоростных электронных схемах с высокой плотностью мощности значительно выше по сравнению с их низкоскоростными и маломощными плотными аналогами.

Эффект статического заряда в электронных схемах может привести как к катастрофическим, так и к скрытым отказам. Обычными статическими повреждениями, наблюдаемыми в электронных схемах, являются утечки, изменения функциональных характеристик компонентов и снижение производительности. Для защиты чувствительных электронных схем от статических повреждений можно использовать электростатическое экранирование.

Итак, что такое электростатическая защита? Чувствительные электронные схемы, заключенные в электростатические экраны, защищены от накопления статического заряда. В этой статье мы обсудим влияние статических зарядов на чувствительные электронные схемы, что такое электростатическое экранирование и как оно реализуется.

Статическое электричество в электронных цепях

Термин «статический заряд» означает электрический заряд в состоянии покоя, но постоянно ищущий путь для протекания. Поток статического заряда создает ток, который называется явлением статического электричества или электростатическим разрядом (ЭСР). Ассоциация ESD (ESDA) занимается изучением явлений электростатического разряда и определяет причину электростатического разряда как дисбаланс электрических зарядов, внутренних или внешних по отношению к электронному компоненту или цепи.

По данным ESDA, миллиарды долларов ежегодно тратятся в электронной промышленности впустую из-за повреждений, вызванных статическим электричеством. Электронные системы, подверженные статическому заряду, находятся в опасности. Статическое электричество может привести к сбою в работе чувствительной электронной системы. Поток статического заряда или электростатический разряд может воздействовать на полупроводники, интегральные схемы, внутренние компоненты, порты USB и т. д. Давайте рассмотрим некоторые эффекты статического электричества в следующем разделе.

Влияние статического электричества на электронные схемы

Около трети отказов полупроводниковых приборов вызваны электростатическим разрядом. В полупроводниках явления статического электричества вызывают утечки, повреждения контактов, выгорания, повреждения интерфейса резистор-металл или разрывы оксида затвора. Полупроводники на основе биполярных и МОП-технологий чувствительны к статическому электричеству, и виды отказов в этих устройствах включают пробой изоляции, тепловое перенапряжение, отказы металлизации и миграцию материалов.

Эффекты статического электричества в ИС очень серьезны, так как они образуют отверстия в микросхемах. Случаи разряда статического электричества увеличивают тепловыделение в ИС до уровня, превышающего их предельные температуры, и вызывают тепловое повреждение всех компонентов и систем, находящихся поблизости.

Внутренние компоненты электронного устройства могут противостоять последствиям статического заряда в течение одного или двух событий. Однако повторяющиеся явления статического электричества со временем разрушают внутренние компоненты электронных схем и приводят к нарушению работы оборудования. Возможна потеря контакта или возгорание внутренних компонентов под воздействием статического электричества.

Типы отказов

Отказы ESD могут быть обобщены как катастрофические отказы, скрытые отказы или аварийные отказы. Катастрофические отказы делают устройство полностью неработоспособным, в то время как скрытые и аварийные отказы заставляют систему выполнять большее количество циклов работы до тех пор, пока повторные воздействия статического электричества не повредят ее. Воздействие статического заряда на электронику усугубляется по мере уменьшения скорости и размера схемы. Статическая чувствительность схем с высокой плотностью мощности выше, чем у их аналогов с низкой плотностью мощности. Спрос на схемы с высокой плотностью мощности требует защиты от статического электричества, иначе называемой электростатическим экранированием.

Что такое электростатическое экранирование?

Итак, что такое электростатическое экранирование? Электростатическое экранирование — это метод, используемый в электронной промышленности для защиты чувствительных компонентов или цепей от явлений статического электричества. При электростатическом экранировании цепь или компонент, подлежащий защите, помещают внутрь корпуса. Корпус заземлен, внутри резонатора нулевые поля. Пространство или область внутри корпуса остаются незатронутыми внешним полем, создаваемым статическими зарядами.

Экранирование в коаксиальных кабелях

Аналогичный метод электростатического экранирования используется в коаксиальных кабелях, где внешний проводник заземлен и окружает центральный проводник. Внешний проводник действует как электростатический экран для центрального проводника, по которому передаются сигналы.

Клетка Фарадея 

Использование клетки Фарадея — старейший метод электростатического экранирования, используемый в электронных схемах. Этот метод также называется объемным экранированием, когда чувствительную схему окружает металлический экран. Металлический экран предотвращает попадание внешних полей на чувствительную электронику. Объемное экранирование стоит дорого, так как плохая циркуляция воздуха внутри шкафа требует отличного управления температурой.

Отверстия в электростатических экранах

Поскольку электростатическое экранирование с закрытыми резонаторами является дорогостоящим, в токопроводящих корпусах, окружающих чувствительную электронную схему, делают небольшие щели, отверстия или отверстия. Отверстия в металлических корпусах делают электрическое поле внутри резонатора отличным от нуля. Однако в электростатических экранах допускаются небольшие отверстия, так как электрическое поле внутри полости для таких отверстий сколь угодно мало. Это также снижает затраты на вентиляцию. Эти отверстия иногда используются для прокладки кабелей или проводов и точек доступа к внутренней цепи.

Учитывая все преимущества малых отверстий, клетки Фарадея выполнены с металлическими решетчатыми стенками для электростатического экранирования. Программное обеспечение Cadence предлагает инструменты, которые помогут вам реализовать электростатические экраны с отверстиями или без них.

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, поговорите с нашей командой экспертов.

 

Свяжитесь с нами

Решение задач электромагнитного, электронного, теплового и электромеханического моделирования, чтобы ваша система работала в широком диапазоне условий эксплуатации.

Посетить сайт Больше контента от Cadence System Analysis

Доступ к электронной книге

18.4 Электрическое поле: новый взгляд на концепцию поля — College Physics 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать силовое поле и рассчитать напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом.
• Рассчитайте силу, действующую на пробный заряд со стороны электрического поля.
• Объясните взаимосвязь между электрической силой (F), действующей на испытательный заряд, и напряженностью электрического поля (E).

Контактные силы, например, между бейсбольным мячом и битой, объясняются в малом масштабе взаимодействием зарядов в атомах и молекулах в непосредственной близости. Они взаимодействуют посредством сил, включающих кулоновскую силу. Действие на расстоянии — это сила между объектами, которые находятся недостаточно близко, чтобы их атомы могли «соприкоснуться». То есть они разделены более чем несколькими атомными диаметрами.

Например, заряженная резиновая расческа притягивает нейтральные кусочки бумаги на расстоянии под действием кулоновской силы. Очень полезно представить объект, окруженный в пространстве силовым полем. Силовое поле переносит силу на другой объект (называемый тестовым объектом) на некотором расстоянии.

Концепция поля

Поле — это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Например, гравитационное поле, окружающее Землю (и все другие массы), представляет собой гравитационную силу, которая возникла бы, если бы в данной точке поля была помещена другая масса.

Точно так же кулоновское силовое поле, окружающее любой заряд, распространяется по всему пространству. Используя закон Кулона, F=k|q1q2|/r2F=k|q1q2|/r2, его величина определяется уравнением F=k|qQ|/r2F=k|qQ|/r2, для точечного заряда (частицы с зарядом QQ ), действующего на пробный заряд qq на расстоянии rr (см. рис. 18.18). Как величина, так и направление кулоновского силового поля зависят от QQ и пробного заряда qq.

Рисунок 18.18 Показано, что поле кулоновских сил, обусловленное положительным зарядом QQ, действует на два разных заряда. Оба заряда находятся на одинаковом расстоянии от QQ. (a) Так как q1q1 положителен, действующая на него сила F1F1 является отталкивающей. (б) Заряд q2q2 отрицателен и больше по модулю, чем q1q1, поэтому действующая на него сила F2F2 притягивает и больше, чем F1F1. Таким образом, кулоновское силовое поле не является уникальным в любой точке пространства, поскольку оно зависит от пробных зарядов q1q1 и q2q2, а также от заряда QQ.

Для упрощения мы бы предпочли иметь поле, зависящее только от QQ , а не от тестового заряда qq. Электрическое поле определяется таким образом, что оно представляет собой только создающий его заряд и уникально в каждой точке пространства. В частности, электрическое поле EE определяется как отношение кулоновской силы к пробному заряду:

E=Fq,E=Fq,

18.11

где FF — электростатическая сила (или кулоновская сила), действующая на положительный пробный заряд qq. Понятно, что EE находится в том же направлении, что и ФФ. Также предполагается, что qq настолько мало, что не меняет распределения заряда, создающего электрическое поле. Единицами электрического поля являются ньютоны на кулон (Н/Кл). Если электрическое поле известно, то электростатическая сила, действующая на любой заряд qq, просто получается путем умножения заряда на электрическое поле, или F=qEF=qE. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое точечным зарядом QQ. По закону Кулона сила, действующая на пробный заряд qq это F=k|qQ|/r2F=k|qQ|/r2. Таким образом, величина электрического поля EE, за точечный заряд

E=|Fq|=k|qQqr2|=k|Q|r2.E=|Fq|=k|qQqr2|=k|Q|r2.

18.12

Поскольку пробный заряд отменяется, мы видим, что

E=k|Q|r2.E=k|Q|r2.

18.13

Таким образом, видно, что электрическое поле зависит только от заряда QQ и расстояния rr; он совершенно не зависит от пробного заряда qq.

Пример 18.2

Расчет электрического поля точечного заряда

Расчет напряженности и направления электрического поля EE от точечного заряда 2,00 нКл (нанокулонов) на расстоянии 5,00 мм от заряда.

Стратегия

Мы можем найти электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, используя уравнение E=kQ/r2E=kQ/r2.

Раствор

Здесь Q=2,00×10-9Q=2,00×10-9 C и r=5,00×10-3r=5,00×10-3 м. Ввод этих значений в приведенное выше уравнение дает

E=kQr2=(8,99×109Н⋅м2/C2)×(2,00×10-9C)(5,00×10-3м)2=7,19×105N/C.E=kQr2=(8,99 ×109Н⋅м2/Кл2)×(2,00×10-9Кл)(5,00×10-3м)2=7,19×105Н/Кл.

18,14

Обсуждение

Эта напряженность электрического поля одинакова в любой точке на расстоянии 5,00 мм от заряда QQ , который создает поле. Он положительный, т. е. направлен от заряда QQ .

Пример 18,3

Расчет силы, действующей на точечный заряд электрическим полем

Какую силу электрическое поле, обнаруженное в предыдущем примере, действует на точечный заряд от –0,250 мкКл до 0,250 мкКл?

Стратегия

Поскольку мы знаем напряженность электрического поля и заряд в поле, силу, действующую на этот заряд, можно рассчитать, используя определение электрического поля E=F/qE=F/q, преобразованное в F=qEF=qE.

Решение

Величина силы, действующей на заряд q=-0,250 мкКл=-0,250 мкКл, действующей со стороны поля напряженностью E=7,20×105E=7,20×105 Н/Кл, таким образом, составляет

F=-qE= (0,250×10–6C)(7,20×105N/C)=0,180 NF=−qE=(0,250×10–6C)(7,20×105N/C)=0,180 N.

18,15

Поскольку qq отрицательно, сила направлена ​​против направления поля.

Обсуждение

Сила притяжения, как и ожидалось для разных зарядов. (Поле было создано положительным зарядом, а здесь действует на отрицательный заряд.) Заряды в этом примере типичны для обычного статического электричества, а полученная небольшая сила притяжения аналогична силам, возникающим при статическом прилипании и подобных ситуациях.

Исследования ФЕТ

Электрическое поле мечты

Играй в мяч! Добавьте заряды в Поле Снов и посмотрите, как они реагируют на электрическое поле. Включите фоновое электрическое поле и отрегулируйте направление и величину.

Нажмите, чтобы просмотреть содержимое.

18.7 Проводники и электрические поля в статическом равновесии – College Physics главы 1-17

18 Электрический заряд и электрическое поле

Резюме

• Перечислите три свойства проводника, находящегося в электростатическом равновесии.
• Объясните влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике.
• Объясните, почему внутри проводника не может быть электрического поля.
• Опишите электрическое поле, окружающее Землю.
• Объясните, что происходит с электрическим полем, приложенным к проводнику неправильной формы.
• Опишите, как работает громоотвод.
• Объясните, как металлический автомобиль может защитить находящихся внутри пассажиров от опасных электрических полей, возникающих в результате касания автомобиля оборванным проводом.

Проводники содержат бесплатных зарядов , которые легко перемещаются. Когда на проводник помещается избыточный заряд или проводник помещается в статическое электрическое поле, заряды в проводнике быстро реагируют на достижение устойчивого состояния, называемого электростатическим равновесием .

На рис. 1 показано влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике. Свободные заряды движутся до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника. В электростатическом равновесии не может быть компоненты поля, параллельной поверхности, поскольку, если бы она была, она вызывала бы дальнейшее движение заряда. Показан положительный свободный заряд, но свободные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, а в металлах они фактически отрицательны. Движение положительного заряда эквивалентно движению отрицательного заряда в противоположном направлении.

Рисунок 1. Когда электрическое поле E приложено к проводнику, свободные заряды внутри проводника перемещаются до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности. (а) Электрическое поле является векторной величиной, имеющей как параллельные, так и перпендикулярные компоненты. Параллельная составляющая ( E _|| ) действует с силой ( F _|| ) на свободный заряд q , которая перемещает заряд до F _|| = 0 . (b) Результирующее поле перпендикулярно поверхности. Свободный заряд переносится на поверхность проводника, оставляя электростатические силы в равновесии.

Проводник, помещенный в электрическое поле , будет поляризован . На рис. 2 показан результат помещения нейтрального проводника в первоначально однородное электрическое поле. Поле усиливается вблизи проводника, но полностью исчезает внутри него.

Рис. 2. На этом рисунке показан сферический проводник в статическом равновесии с изначально однородным электрическим полем. Свободные заряды движутся внутри проводника, поляризуя его, пока линии электрического поля не станут перпендикулярны поверхности. Силовые линии заканчиваются на избыточном отрицательном заряде на одном участке поверхности и снова начинаются на избыточном положительном заряде на противоположной стороне. Внутри проводника не существует электрического поля, поскольку свободные заряды в проводнике будут продолжать двигаться в ответ на любое поле, пока оно не будет нейтрализовано.

Предупреждение о неправильном представлении: электрическое поле внутри проводника

Избыточные заряды, размещенные на сферическом проводнике, отталкиваются и перемещаются до тех пор, пока не распределятся равномерно, как показано на рис. 3. Избыточный заряд выталкивается на поверхность до тех пор, пока поле внутри проводника не станет равным нулю. Вне проводника поле точно такое же, как если бы проводник был заменен точечным зарядом в его центре, равным избыточному заряду.

Рис. 3. Взаимное отталкивание избыточных положительных зарядов на сферическом проводнике равномерно распределяет их по его поверхности. Результирующее электрическое поле перпендикулярно поверхности и равно нулю внутри. Вне проводника поле идентично точечному заряду в центре, равному избыточному заряду.

Свойства проводника в электростатическом равновесии

1. Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
2. Сразу за пределами проводника силовые линии электрического поля перпендикулярны его поверхности и заканчиваются или начинаются на зарядах на поверхности.
3. Любой избыточный заряд полностью находится на поверхности или поверхностях проводника.

Свойства проводника согласуются с уже рассмотренными ситуациями и могут использоваться для анализа любого проводника в электростатическом равновесии. Это может привести к новым интересным выводам, как описано ниже.

Как можно создать очень однородное электрическое поле? Рассмотрим систему из двух металлических пластин с противоположными зарядами на них, как показано на рис. 4. Свойства проводников, находящихся в электростатическом равновесии, указывают на то, что электрическое поле между пластинами будет однородным по напряженности и направлению. За исключением краев, избыточные заряды распределяются равномерно, создавая силовые линии, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (следовательно, одинаковы по силе) и перпендикулярны поверхностям (следовательно, однородны по направлению, поскольку пластины плоские). Краевые эффекты менее важны, когда пластины расположены близко друг к другу.

Рисунок 4. Две металлические пластины с равными, но противоположными избыточными зарядами. Поле между ними однородно по силе и направлению, кроме краев. Одним из применений такого поля является создание равномерного ускорения зарядов между пластинами, например, в электронной пушке телевизионной трубки.

Почти однородное электрическое поле напряженностью около 150 Н/Кл, направленное вниз, окружает Землю, величина которого немного увеличивается по мере приближения к поверхности. Что вызывает электрическое поле? На высоте около 100 км над поверхностью Земли у нас есть слой заряженных частиц, называемый 9-м слоем. {6} \;\textbf{N} / \textbf{C}}[/latex]. Воздух ионизирует ионы, а электроны рекомбинируют, и мы получаем разряд в виде искр молний и коронного разряда.

Рис. 5. Электрическое поле Земли. (a) Поле хорошей погоды. Земля и ионосфера (слой заряженных частиц) являются проводниками. Они создают однородное электрическое поле около 150 Н/Кл. (кредит: DH Parks) (b) Штормовые поля. При наличии грозовых облаков локальные электрические поля могут быть больше. При очень высоких полях изолирующие свойства воздуха нарушаются, и может возникнуть молния. (кредит: Ян-Йост Верхуф)

До сих пор мы рассматривали избыточные заряды на гладкой симметричной поверхности проводника. Что произойдет, если проводник имеет острые углы или заострен? Избыточные заряды на неоднородном проводнике концентрируются в наиболее острых точках. Кроме того, избыточный заряд может перемещаться по проводнику или от него в самых острых точках.

Чтобы понять, как и почему это происходит, рассмотрим заряженный проводник на рис. 6. Электростатическое отталкивание одноименных зарядов наиболее эффективно раздвигает их на самой плоской поверхности, поэтому там они меньше всего концентрируются. Это связано с тем, что силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Составляющая, параллельная поверхности, наибольшая на самой плоской поверхности и, следовательно, более эффективна в перемещении заряда.

Такое же воздействие на проводник оказывает внешнее электрическое поле, как показано на рис. 6 (с). Поскольку силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности, больше их сосредоточено на наиболее искривленных участках.

Рис. 6. Избыточный заряд на неоднородном проводнике больше всего концентрируется в месте наибольшей кривизны. а) Силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхности, различны. это Ф _|| , который раздвигает заряды, как только они достигают поверхности. (б) F _|| наименьший на более остром конце, заряды расположены ближе друг к другу, создавая показанное электрическое поле. (c) Незаряженный проводник в первоначально однородном электрическом поле поляризуется так, что наиболее концентрированный заряд находится на его самом остром конце.

На очень круто искривленной поверхности, такой как показанная на рис. 7, заряды настолько сконцентрированы в точке, что результирующее электрическое поле может быть достаточно сильным, чтобы убрать их с поверхности. Это может быть полезно.

Молниеотводы работают лучше всего, когда они наиболее остроконечные. Большие заряды, образующиеся в грозовых облаках, вызывают противоположный заряд на здании, что может привести к удару молнии в здание. Индуцированный заряд постоянно отводится громоотводом, предотвращая более драматический удар молнии.

Конечно, иногда мы хотим предотвратить передачу заряда, а не облегчить ее. В этом случае проводник должен быть очень гладким и иметь как можно больший радиус кривизны. (См. рис. 8.) Гладкие поверхности используются, например, на высоковольтных линиях электропередачи, чтобы избежать утечки заряда в воздух.

Другим устройством, в котором используются некоторые из этих принципов, является клетка Фарадея . Это металлический щит, ограждающий объем. Все электрические заряды будут находиться на внешней поверхности этого экрана, и внутри не будет электрического поля. Клетка Фарадея используется для того, чтобы паразитные электрические поля в окружающей среде не мешали чувствительным измерениям, таким как электрические сигналы внутри нервной клетки.

Во время грозы, если вы управляете автомобилем, лучше оставаться внутри автомобиля, так как его металлический корпус действует как клетка Фарадея с нулевым электрическим полем внутри. Если в непосредственной близости от удара молнии, его воздействие ощущается снаружи автомобиля, а внутри не затрагивается, при условии, что вы полностью остаетесь внутри. Это актуально и в том случае, если действующий («горячий») электрический провод оборвался (в грозу или аварию) и упал на ваш автомобиль.

Рис. 7. Проводник с очень острым концом имеет большую концентрацию заряда в конце. Электрическое поле в этой точке очень сильное и может создавать силу, достаточную для переноса заряда на проводник или с него. Молниеотводы используются для предотвращения накопления больших избыточных зарядов на конструкциях и, таким образом, имеют остроконечную форму. Рис. 8. (a) Молниеотвод заострен для облегчения передачи заряда. (Фото: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Этот генератор Ван де Граафа имеет гладкую поверхность с большим радиусом кривизны, что предотвращает перенос заряда и позволяет генерировать большое напряжение. Взаимное отталкивание одноименных зарядов проявляется в волосах человека при прикосновении к металлическому шару. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис/Wikimedia Commons).

• Проводник позволяет свободно перемещаться в нем зарядам.
• Электрические силы вокруг проводника заставят свободные заряды перемещаться внутри проводника, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
• Любой избыточный заряд будет накапливаться на поверхности проводника.
• Проводники с острыми углами или точками будут накапливать больше заряда в этих точках.
• Громоотвод — это проводник с заостренными концами, который собирает на здании избыточный заряд, вызванный грозой, и позволяет ему рассеяться обратно в воздух.
• Электрические бури возникают, когда электрическое поле поверхности Земли в определенных местах становится более сильно заряженным из-за изменения изолирующего эффекта воздуха.
• Клетка Фарадея действует как щит вокруг объекта, предотвращая проникновение электрического заряда внутрь.

Концептуальные вопросы

1: Является ли объект на рисунке 9 проводником или изолятором? Обосновать ответ.

Рисунок 9.

2: Если бы линии электрического поля на рисунке выше были перпендикулярны объекту, обязательно ли он был бы проводником? Объяснять.

3: Обсуждение электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами в этом модуле утверждает, что краевые эффекты менее важны, если пластины расположены близко друг к другу. Что значит близко? То есть имеет ли решающее значение фактическое расстояние между пластинами или отношение расстояния между пластинами к площади пластины?

4: Будет ли электрическое поле, созданное самим собой на конце заостренного проводника, такого как громоотвод, удалять положительный или отрицательный заряд с проводника? Будет ли снят тот же знаковый заряд с нейтрального заостренного проводника приложением такого же электрического поля, созданного извне? (Ответы на оба вопроса имеют значение для передачи заряда с использованием баллов.)

5: Почему игрок в гольф с металлической клюшкой на плече уязвим для молнии на открытом фервее? Будет ли ей безопаснее под деревом?

6: Может ли ремень ускорителя Ван де Граафа быть проводником? Объяснять.

7: Вы в относительной безопасности от молнии внутри автомобиля? Назовите две причины.

8: Обсудите плюсы и минусы заземления громоотвода по сравнению с простым креплением к зданию.

9: Используя симметрию расположения, покажите, что суммарная кулоновская сила, действующая на заряд q в центре квадрата ниже (рис. 10), равна нулю, если заряды в четырех углах точно равны.

Figure 10. Four point charges q _a , q _b , q _c , and q _d lie on the corners of a square and q is located в его центре.

10: (a) Используя симметрию расположения, покажите, что электрическое поле в центре квадрата на рисунке 10 равно нулю, если заряды в четырех углах точно равны. (b) Show that this is also true for any combination of charges in which q _a = q _d and q _b = q _c

11: ( а) Как направлена ​​полная кулоновская сила на q на рисунке 10, если q отрицательно, q _a = q _c и оба отрицательны, а q _b = q _c 8 и оба положительны? б) Каково направление электрического поля в центре квадрата в этой ситуации?

12: Учитывая рис. 10, предположим, что Q _A = Q _D и Q _B = Q _{C C C C C C. Сначала покажите, что qq size 12{q} {} находится в статическом равновесии. (Вы можете пренебречь силой гравитации.) Затем обсудите, является ли равновесие устойчивым или неустойчивым, отметив, что это может зависеть от знаков зарядов и направления смещения q от центра квадрата.}

13: Если q _a = 0 на рис. 10, при каких условиях не будет чистой кулоновской силы на q ?

14: В регионах с низкой влажностью возникает особая «хватка» при открытии дверей автомобиля или прикосновении к металлическим дверным ручкам. Это предполагает размещение на устройстве как можно большей части руки, а не только кончиков пальцев. Обсудите индуцированный заряд и объясните, почему это сделано.

15: Пункты взимания платы за проезд на дорогах и мостах обычно имеют кусок проволоки, воткнутый в тротуар перед ними, который будет касаться приближающегося автомобиля. Почему это делается?

16: Предположим, женщина несет избыточную плату. Чтобы поддерживать свой заряженный статус, может ли она стоять на земле в любой паре обуви? Как бы вы ее выписали? Каковы последствия, если она просто уйдет?

 

Задачи и упражнения

1: Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 11, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

Рисунок 11.

2: Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 12, учитывая, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?

Рисунок 12.

3: Нарисуйте электрическое поле между двумя проводящими пластинами, показанными на рисунке 13, при условии, что верхняя пластина положительна, а на нижней пластине находится равное количество отрицательных зарядов. Обязательно укажите распределение заряда на пластинах.

Рисунок 13.

4: Изобразите силовые линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на рисунке 14, отметив его неравномерное распределение заряда.

Рис. 14. Заряженный изолирующий стержень, который можно использовать для демонстрации в классе.

5: Какая сила действует на заряд, расположенный в точке x=8,00 см на рис. 15(а), при условии, что $latex \boldsymbol{q = 1,00 \;\mu \textbf{C}}?

Рис. 15. (а) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 3,00, 8,00 и 11,0 см вдоль оси x . (b) Точечные заряды, расположенные на 1,00, 5,00, 8,00 и 14,0 см по оси x .

6: (a) Найдите полное электрическое поле при x = 1,00 см x = 1,00 см на рисунке 15 (b), учитывая, что [латекс]\boldsymbol{q = 5,00 \;\textbf{nC}}[/latex] . (b) Найдите полное электрическое поле при $latex \boldsymbol{x = 11,00 \;\textbf{см}} на рисунке 15(b). (в) Если позволить зарядам двигаться и в конечном итоге останавливаться за счет трения, какова будет окончательная конфигурация заряда? (То есть будет ли одинарная плата, двойная плата и т. д., и каковы будут ее значения?)

7: (a) Найдите электрическое поле в точке [латекс]\boldsymbol{x = 5,00 \;\textbf{см}}[/латекс] на рис. 15(а), учитывая, что [латекс]\boldsymbol{ q = 1,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex]. (b) В каком положении между 3,00 и 8,00 см общее электрическое поле такое же, как и у одного только [латекса]\boldsymbol{-2q}[/латекс]? в) Может ли электрическое поле быть равным нулю где-то между 0,00 и 8,00 см? (d) При очень больших положительных или отрицательных значениях x , электрическое поле приближается к нулю как в (a), так и в (b). В каком случае он быстрее всего стремится к нулю и почему? (e) В каком положении справа от 11,0 см полное электрическое поле равно нулю, кроме как на бесконечности? (Подсказка: графический калькулятор может помочь в решении этой проблемы. )

8: (а) Найдите полную кулоновскую силу на заряде 2,00 нКл, расположенном в точке [латекс]\boldsymbol{x=4,00 \;\textbf{см}}[/латекс] на рис. 15 (б), учитывая, что [латекс]\boldsymbol{q = 1,00 \;\mu \textbf{C}}[/латекс]. (b) Найдите положение x , в котором электрическое поле равно нулю на рисунке 15 (b).

9: Используя симметрию расположения, определите направление силы на q на рисунке ниже, учитывая, что [латекс]\boldsymbol{q_a = q_b = +7,50 \;\mu \textbf{C }}[/латекс] и [латекс]\boldsymbol{q_c = q_d = -7,50 \;\mu \textbf{C}}[/латекс]. б) Рассчитайте величину силы, действующей на заряд 9.0139 q , учитывая, что сторона квадрата равна 10,0 см, а [латекс]\boldsymbol{q = 2,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex].

Рисунок 16.

10: (a) Используя симметрию расположения, определите направление электрического поля в центре квадрата на рисунке 16, учитывая, что [латекс]\boldsymbol{q_a = q_b = -1,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex] и [латекс]\boldsymbol{q_c = q_d = +1,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex]. (b) Рассчитайте величину электрического поля в точке q , учитывая, что сторона квадрата равна 5,00 см.

11: Найдите электрическое поле в точке q _a на рисунке 16, учитывая, что [латекс]\boldsymbol{q_b = q_c = q_d = +2,00 \;\textbf{nC}}[/latex ], [латекс]\boldsymbol{q=-1,00 \;\textbf{nC}}[/латекс], а сторона квадрата составляет 20,0 кубических футов в минуту.

12: Найдите полную кулоновскую силу на заряде q на рис. 16, если [латекс]\boldsymbol{q = 1,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex], [латекс] \boldsymbol{q_a = 2,00 \;\mu\textbf{C}}[/латекс], [латекс]\boldsymbol{q_b = -3,00 \;\mu \textbf{C}}[/латекс], [латекс]\ boldsymbol{q_c = -4,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex] и [латекс]\boldsymbol{q_d = +1,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex]. Сторона квадрата 50,0 см.

13: (a) Найдите электрическое поле в месте расположения qaqa на рисунке 17, учитывая, что [latex]\boldsymbol{q_b = +10,00 \;\mu \textbf{C}}[/latex] и [ латекс]\boldsymbol{q_c = -5.