Электрическое напряжение — это… Что такое Электрическое напряжение?

У этого термина существуют и другие значения, см. Напряжение.

Электри́ческое напряже́ние между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно отношению работы электрического поля, совершаемой при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B, к величине пробного заряда.

При этом считается, что перенос пробного заряда не изменяет распределения зарядов на источниках поля (по определению пробного заряда). В потенциальном электрическом поле эта работа не зависит от пути, по которому перемещается заряд. В этом случае электрическое напряжение между двумя точками совпадает с разностью потенциалов между ними.

Альтернативное определение —

— интеграл от проекции поля эффективной напряжённости поля (включающего сторонние поля) на расстояние между точками A и B вдоль заданной траектории, идущей из точки A в точку B

. В электростатическом поле значение этого интеграла не зависит от пути интегрирования и совпадает с разностью потенциалов.

Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт.

Напряжение в цепях постоянного тока

Напряжение в цепи постоянного тока определяется так же, как и в электростатике.

Напряжение в цепях переменного тока

Для описания цепей переменного тока применяются следующие понятия:

Мгновенное напряжение

Мгновенное напряжение есть разность потенциалов между двумя точками, измеренная в данный момент времени. Оно является функцией времени:

Амплитудное значение напряжения

Амплитуда напряжения есть максимальное по модулю значение мгновенного напряжения за весь период колебаний:

Для гармонических (синусоидальных) колебаний напряжения мгновенное значение напряжения выражается как:

Для сети переменного синусоидального напряжения со среднеквадратичным значением 220 В амплитудное равно приблизительно 311,127 В.

Амплитудное напряжение можно измерить с помощью осциллографа.

Среднее значение напряжения

Среднее значение напряжения (постоянная составляющая напряжения) определяется за весь период колебаний, как:

Для чистой синусоиды среднее значение напряжения равно нулю.

Среднеквадратичное значение напряжения

Среднеквадратичное значение (устаревшее наименование: действующее, эффективное) наиболее удобно для практических расчётов, так как на линейной активной нагрузке оно совершает ту же работу (например, лампа накаливания имеет ту же яркость свечения, нагревательный элемент выделяет столько же тепла), что и равное ему постоянное напряжение:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

В технике и быту при использовании переменного тока под термином «напряжение» имеется в виду именно эта величина, и все вольтметры проградуированы исходя из её определения. Однако конструктивно большинство приборов фактически измеряют не среднеквадратичное, а средневыпрямленное (см. ниже) значение напряжения, поэтому для несинусоидального сигнала их показания могут отличаться от истинного значения.

Средневыпрямленное значение напряжения

Средневыпрямленное значение есть среднее значение модуля напряжения:

Для синусоидального напряжения справедливо равенство:

На практике используется редко, однако большинство вольтметров переменного тока (те, в которых ток перед измерением выпрямляется) фактически измеряют именно эту величину, хотя их шкала и проградуирована по среднеквадратичным значениям.

Напряжение в цепях трёхфазного тока

В цепях трёхфазного тока различают фазное и линейное напряжения. Под фазным напряжением понимают среднеквадратичное значение напряжения на каждой из фаз нагрузки, а под линейным — напряжение между подводящими фазными проводами. При соединении нагрузки в треугольник фазное напряжение равно линейному, а при соединении в звезду (при симметричной нагрузке или при глухозаземлённой нейтрали) линейное напряжение в раз больше фазного.

На практике напряжение трёхфазной сети обозначают дробью, в знаменателе которой стоит линейное напряжение, а в числителе — фазное при соединении в звезду (или, что то же самое, потенциал каждой из линий относительно земли). Так, в России наиболее распространены сети с напряжением 220/380 В; также иногда используются сети 127/220 В и 380/660 В.

Стандарты

Объект	Тип напряжения	Значение (на вводе потребителя)	Значение (на выходе источника)
Электрокардиограмма	Импульсное	1-2 мВ	—
Телевизионная антенна	Переменное высокочастотное	1-100 мВ	—
Батарейка AA («пальчиковая»)	Постоянное	1,5 В	—
Литиевая батарейка	Постоянное	3 В — 1,8 В (в исполнении пальчиковой батарейки , на примере Varta Professional Lithium, AA)	—
Управляющие сигналы компьютерных компонентов	Импульсное	3,5 В, 5 В	—
Батарейка типа 6F22 («Крона»)	Постоянное	9 В	—
Силовое питание компьютерных компонентов	Постоянное	12 В	—
Электрооборудование автомобиля	Постоянное	12/24 В	—
Блок питания ноутбука и жидкокристаллических мониторов	Постоянное	19 В	—
Сеть «безопасного» пониженного напряжения для работы в опасных условиях	Переменное	36-42 В	—
Напряжение наиболее стабильного горения свечи Яблочкова	Постоянное	55 В	—
Напряжение в телефонной линии (при опущенной трубке)	Постоянное	60 В	—
Напряжение в электросети Японии	Переменное трёхфазное	100/172 В	—
Напряжение в домашних электросетях США	Переменное трёхфазное	120 В / 240 В (сплит-фаза)	—
Напряжение в электросети России	Переменное трёхфазное	220/380 В	230/400 В
Разряд электрического ската	Постоянное	до 200—250 В	—
Контактная сеть трамвая и троллейбуса	Постоянное	550 В	600 В
Разряд электрического угря	Постоянное	до 650 В	—
Контактная сеть метрополитена	Постоянное	750 В	825 В
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, постоянный ток)	Постоянное	3 кВ	3,3 кВ
Распределительная воздушная линия электропередачи небольшой мощности	Переменное трёхфазное	6-20 кВ	6,6-22 кВ
Генераторы электростанций, мощные электродвигатели	Переменное трёхфазное	10-35 кВ	—
Анод кинескопа	Постоянное	7-30 кВ	—
Статическое электричество	Постоянное	1-100 кВ	—
Свеча зажигания автомобиля	Импульсное	10-25 кВ	—
Контактная сеть электрифицированной железной дороги (Россия, переменный ток)	Переменное	25 кВ	27,5 кВ
Пробой воздуха на расстоянии 1 см		10-20 кВ	—
Катушка Румкорфа	Импульсное	до 50 кВ	—
Пробой трансформаторного масла на расстоянии 1 см		100-200 кВ	—
Воздушная линия электропередачи большой мощности	Переменное трёхфазное	35 кВ, 110 кВ, 220 кВ, 330 кВ	38 кВ, 120 кВ, 240 кВ, 360 кВ
Электрофорная машина	Постоянное	50-500 кВ	—
Воздушная линия электропередачи сверхвысокого напряжения (межсистемные)	Переменное трёхфазное	500 кВ, 750 кВ, 1150 кВ	545 кВ, 800 кВ, 1250 кВ
Трансформатор Тесла	Импульсное высокочастотное	до нескольких МВ	—
Генератор Ван де Граафа	Постоянное	до 7 МВ	—
Грозовое облако	Постоянное	От 2 до 10 ГВ	—

См. также

Ссылки

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение – это такое понятие, которое не может существовать отдельно от остальных электрических величин. И, в первую очередь, необходимо начать с понятия электрического тока. Всем известно, что электротоком называется упорядоченное движение в проводнике заряженных частиц. Для его возникновения, предварительно создается электрическое поле, действие которого и приводит в движение данные заряженные частицы.

Понятие электрического напряжения

Возникновение электрических зарядов в случае тесного контакта различных веществ между собой. В проводниках происходит свободное перемещение зарядов между различными частями, а в изоляторах, это совершенно невозможно. Однако, все тела разделяются на проводники и изоляторы достаточно условно, поскольку все вещества в той или иной степени проводят электроток. Обычный ток существует очень недолго, до тех пор, пока в наэлектризованном теле не закончится заряд. Для того, чтобы ток поддерживался в течение длительного времени, в проводнике должно поддерживаться электрическое поле с помощью какого-либо источника тока.

Действие тока может быть сильным или слабым. На этот показатель влияет величина заряда, протекающего по цепи за определенный период времени. Отсюда получается показатель, называемый силой тока и представляющий собой величину заряда, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Работа электрического поля

Электрическое поле, перемещая заряженные частицы, производит своего рода работу, называемую работой электрического тока. Работа заключается в перемещении определенного количества зарядов в течение одной секунды. Таким образом, работа находится в зависимости от силы тока. Однако,есть еще одна величина, которая влияет на значение электротока, называемая напряжением. Электрическое напряжение – это величина, которая показывает, какую работу необходимо произвести для перемещения заряда на определенном участке цепи.

Единицей измерения тока является джоуль, а единицей измерения заряда – кулон. Значение напряжения выражается отношением джоуля к кулону и получило общее название вольт. Для возникновения напряжения в цепи, обязательно необходим источник тока. Если цепь разомкнута, то напряжение остается лишь в источнике, на его клеммах. Когда источник включается в общую цепь, напряжение образуется на ее отдельных участках, то есть в цепи появляется ток. Получается, что при отсутствии в цепи напряжения, отсутствует и электроток. Напряжение тока измеряется с помощью вольтметра, параллельно включаемого в электрическую цепь.

В чём измеряется напряжение

§3. Напряженность электрического поля. Потенциал. — Начало. Основы. — Справочник

§3. Напряженность электрического поля. Потенциал.

    Электрическое поле оказывает силовое действие на помещенное в него заряженное электричеством тело. Это значит, что электрическое поле может совершать работу, т. е. оно имеет определенную энергию. Любая точка электрического поля имеет характеристику напряженности поля Е либо потенциала ᵩ.
Напряженность электрического поля Е (В/м) определяется отношением силы F, с которой поле действует на точечный заряд Q, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, т. е.

Е=F/Q

   Точечный заряд – это есть заряженное тело, размеры которого очень малы и в результате этого заряд его практически не искажает поля. При Q, равном единице, Е численно равно F, а значит, напряженность электрического поля численно равна силе поля, действующей на единичный заряд. Напряженность поля можно охарактеризовать не только величиной, но и направлением , которое совпадает с направлением силы поля, действующей на положительный заряд, находящийся в этой точке. Значит, напряженность поля – векторная величина.
Работа сил электрического поля А (Дж) равна произведению силы F(H) на путь l (м), т. е. A=Fl, и F=A/l.
   Таким образом, единицей измерения напряженности поля является [E]=[F]/[Q]=джоуль/кулон•м=вольт/метр (В/м).
   При внесении электрического заряда в электрополе, приходится совершать  определенную работу. Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля, называется потенциалом.
    Потенциал определенной точки электрического поля численноравен работе, совершаемой на внесение заряда в один кулон из бесконечности в эту точку поля. Эта работа равна потенциальной энергии, которой обладает заряд в один кулон в рассматриваемой точке поля, т. е.

φ=A/Q
Единицей измерения потенциала является вольт (В).
При передвижении положительного заряда Q в однородном электрическом поле из одной точки в другую на расстояние l в направлении поля силы поля совершают работу А, равную А=F·l. Отношение работы А по перемещению заряда Q между двумя точками электрического поля к заряду называется напряжением между указанными точками, т. е.

U=A/Q.
   Таким образом, напряжение между двумя точками численно равно работе сил поля при перемещении между этими точками положительного единичного заряда.
Так как потенциалы точек М и Н равны  ᵩм и ᵩи, то работа сил поля при пеермещении единичного положительного заряда из точки М в точку Н, т. е. напряжение между этими точками равно разности их потенциалов:
Uми= ᵩм — ᵩи.
     Потенциал Земли принято считать равным нулю, и если проводник соединен с землей, то его потенциал также равен нулю. Положительный потенциал больше (выше) потенциала Земли, а отрицательный меньше (ниже) потенциала Земли.
Поверхность, все точки которой имеют одинаковые потенциалы, называется эквипотенциальной или равнопотенциальной.

Электрическое напряжение определение. Электрическое напряжение

Электричество — наиболее используемый человеком вид энергии. Без преувеличения можно сказать, что определение электрического тока как упорядоченного движения электронов хорошо известно еще из школьного учебника физики. Но вот тока и каким образом обеспечивается это «упорядоченное движение», ответит далеко не каждый. Вспомним, что электрон, элементарный сам по себе по проводнику не движется. С другой стороны, только движение зарядов по цепи сопровождается выполнением полезной работы в виде превращения энергии из одного вида в другой. Именно благодаря этим превращениям электрический ток в одних случаях накаляет нить лампочки, а в других — вращает ротор электродвигателя. В первом случае имеем превращение в тепловую, а во втором — в магнитную. Энергия движущихся зарядов расходуется за счет источника, который поддерживает электрический ток в цепи. Протекая по проводнику, ток переносит энергию источника ЭДС до потребителя — нити накала, обмоток электродвигателя и т.д.

Если определить ток как количество зарядов, протекающих по проводнику, то можно сказать, что работа тока зависит от количества этих зарядов в единицу времени. А от чего зависит электрический ток в цепи? Рассмотрим модель протекания тока на примере водяной струи, вытекающей из отверстия в нижней части цилиндра, заполненного доверху. Представим, что в нашей модели цилиндр — это проводник, а вода — это большое число капелек-электронов. Тогда совершенно ясно, что вытекающее за единицу времени количество воды зависит от двух параметров — давления столба воды, которое в электрических цепях именуется как напряжение тока, и диаметра отверстия — аналога Высота водяного столба в данной модели определяет верхний потенциал источника энергии, капельки-заряды похожи на поток электронов, которые перемещаются от верхнего слоя к нижнему. водяной массы, т.е. способность выполнить некоторую полезную работу, на верхнем и нижнем уровнях разная. Благодаря наличию разницы потенциалов вода может вытекать из отверстия и с преобразованием потенциальной энергии столба воды в кинетическую энергию струи воды. Если высоту водяного столба увеличивать, то разность потенциалов, или напряжение тока, увеличивается, и сила тока, точнее, масса вытекающей в единицу времени воды, также растет. Таким образом, предложенная модель показывает прямо пропорциональную зависимость силы тока от напряжения.

В теории электричества этот вывод записывается следующим образом: I = f(U)* K, где I — ток, U — напряжение, а K — индивидуальная характеристика реакции электрической цепи на проходящий ток — проводимость. В технике обычно применяют величину, обратную проводимости R = 1/K , и называется она «сопротивление». Сопротивление обычно трактуется как полезная нагрузка цепи. В нашей модели таким «сопротивлением» выступает площадь отверстия для слива воды: чем она больше, тем больше ее проходимость, или, говоря языком электротехники, проводимость, а значит, сопротивление потоку воды уменьшается.

На модели наглядно видно, как потенциальная энергия потока капелек-зарядов преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. Чем меньше сопротивление (или больше проводимость), тем большая механическая работа выполняется над массой воды. Иначе говоря, полезные нагрузки разных видов — это преобразователи тока, например, нить накаливания преобразует электрическую энергию в тепловую и световую, катушка реле преобразует электрическую энергию в магнитную и т.д.

Возвращаясь к электрическим цепям, можно сделать вывод, что сила тока I и напряжение тока U являются электрическими параметрами, определяющими работу тока А (А= U*I).

При этом сила тока определяется количеством перенесенного заряда, а напряжение и есть та причина, которая заставляет электроны «упорядоченно» перемещаться от большего потенциала к меньшему. Если напряжение тока отсутствует, то никакое количество свободных электронов в веществе не приведет к движению зарядов. Это значит, что отсутствие напряжения тока не приводит к передаче энергии.

Хорошей демонстрацией полученных выводов являются гидроэлектростанции: их строят с использованием большого перепада уровней (потенциалов) воды. Здесь масса падающей воды подобна току, а разница уровней верхнего и нижнего бьефов играет роль перепада потенциалов.

То есть электрическое поле должно было «протащить» электроны через нагрузку, и энергия, которая при этом израсходовалась, характеризуется величиной, называемой электрическим напряжением. Эта же энергия потратилась на какое-то изменение состояния вещества нагрузки. Энергия, как мы знаем, не пропадает в никуда и не появляется из ниоткуда. Об этом гласит Закон сохранения энергии . То есть, если ток потратил энергию на прохождение через нагрузку, эту энергию приобрела нагрузка и, например, нагрелась.

То есть, приходим к определению: напряжение электрического тока – это величина, показывающая, какую работу совершило поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение в разных участках цепи будет различным. Напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо большим, и зависеть величина напряжения будет от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула:

где U — напряжение, A – работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Напряжение на полюсах источника тока

Что касается напряжения на участке цепи – все понятно. А что же тогда означает напряжение на полюсах источника тока ? В данном случае это напряжение означает потенциальную величину энергии, которую может источник придать току. Это как давление воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.

2) Диэлектрики в электрическом поле

В отличие от проводников, в диэлектриках нет свободных зарядов. Все заряды являются

связанными: электроны принадлежат своим атомам, а ионы твёрдых диэлектриков колеблются

вблизи узлов кристаллической решётки.

Соответственно, при помещении диэлектрика в электрическое поле не возникает направлен-ного движения зарядов

Поэтому для диэлектриков не проходят наши доказательства свойств

проводников — ведь все эти рассуждения опирались на возможность появления тока. И дей-ствительно, ни одно из четырёх свойств проводников, сформулированных в предыдущей статье,

не распростаняется на диэлектрики.

2. Объёмная плотность заряда в диэлектрике может быть отличной от нуля.

3. Линии напряжённости могут быть не перпендикулярны поверхности диэлектрика.

4. Различные точки диэлектрика могут иметь разный потенциал. Стало быть, говорить о

«потенциале диэлектрика» не приходится.

Поляризация диэлектриков — явление, связанное с ограниченным смещением связанных зарядов в диэлектрике или поворотом электрических диполей, обычно под воздействием внешнего электрического поля, иногда под действием других внешних сил или спонтанно.

Поляризацию диэлектриков характеризует вектор электрической поляризации . Физический смысл вектора электрической поляризации — это дипольный момент, отнесенный к единице объема диэлектрика. Иногда вектор поляризации коротко называют просто поляризацией.

Вектор поляризации применим для описания макроскопического состояния поляризации не только обычных диэлектриков, но и сегнетоэлектриков, и, в принципе, любых сред, обладающих сходными свойствами. Он применим не только для описания индуцированной поляризации, но и спонтанной поляризации (у сегнетоэлектриков).

Поляризация — состояние диэлектрика, которое характеризуется наличием электрического дипольного момента у любого (или почти любого) элемента его объема.

Различают поляризацию, наведенную в диэлектрике под действием внешнего электрического поля, и спонтанную (самопроизвольную) поляризацию, которая возникает в сегнетоэлектриках в отсутствие внешнего поля. В некоторых случаях поляризация диэлектрика (сегнетоэлектрика) происходит под действием механических напряжений, сил трения или вследствие изменения температуры.

Поляризация не изменяет суммарного заряда в любом макроскопическом объеме внутри однородного диэлектрика. Однако она сопровождается появлением на его поверхности связанных электрических зарядов с некоторой поверхностной плотностью σ. Эти связанные заряды создают в диэлектрике дополнительное макроскопическое поле c напряжённостью , направленное против внешнего поля с напряжённостью . В результате напряжённость поля внутри диэлектрика будет выражаться равенством:

В зависимости от механизма поляризации, поляризацию диэлектриков можно подразделить на следующие типы:

Электронная — смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Самая быстрая поляризация (до 10 −15 с). Не связана с потерями.

Ионная — смещение узлов кристаллической структуры под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки. Время протекания 10 −13 с, без потерь.

Дипольная (Ориентационная) — протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле.

Электронно-релаксационная — ориентация дефектных электронов во внешнем электрическом поле.

Ионно-релаксационная — смещение ионов, слабо закрепленных в узлах кристаллической структуры, либо находящихся в междуузлие.

Структурная — ориентация примесей и неоднородных макроскопических включений в диэлектрике. Самый медленный тип.

Самопроизвольная (спонтанная) — благодаря этому типу поляризации у диэлектриков, у которых он наблюдается, поляризация проявляет существенно нелинейные свойства даже при малых значениях внешнего поля, наблюдается явление гистерезиса. Такие диэлектрики (сегнетоэлектрики) отличаются очень высокими значениями диэлектрической проницаемости (от 900 до 7500 у некоторых видов конденсаторной керамики). Введение спонтанной поляризации, как правило, увеличивает тангенс угла потерь материала (до 10 −2)

Резонансная — ориентация частиц, собственные частоты которых совпадают с частотами внешнего электрического поля.

Миграционная поляризация обусловлена наличием в материале слоев с различной проводимостью, образованию объемных зарядов, особенно при высоких градиентах напряжения, имеет большие потери и является поляризацией замедленного действия.

Поляризация диэлектриков (за исключением резонансной) максимальна в статических электрических полях. В переменных полях, в связи с наличием инерции электронов, ионов и электрических диполей, вектор электрической поляризации зависит от частоты.

Одна из наиболее часто употребляемых характеристик в электротехнике — это электрическое напряжение , или просто говорят — напряжение . Очень часто даже у опытных в электротехнике специалистов вызывает затруднение объяснить, что есть это самое напряжение. Такое явление вполне объяснимо тем, что для практических нужд обслуживания электрооборудования не требуется глубокого понимания сути напряжения, достаточно знаний напряжения в пределах понимания .

Тогда возникает вопрос. В каком случае и при каких обстоятельствах необходимо глубокое понимание того, в чем суть электрического напряжения? В первую очередь это необходимо для понимания природы (физики) электричества, а также для разработки новых электротехнических устройств и создания новых электротехнических материалов. С другой стороны, углубленное понимание напряжения способствует самопознанию.

Мысленный эксперимент с плоским конденсатором

Для того, чтобы перейти к объяснению сути электрического напряжения требуется понимать, что такое , и .

Кроме силовых линий в описании поля присутствуют еще и эквипотенциальные линии, а значит есть еще одна характеристика такая как . Представьте картину равномерно распределенных силовых линий электрического поля, которые пересекают эквипотенциальные линии, причем каждая такая линия будет иметь свое значение потенциала поля. Для такого представления удобно использовать картину электрического поля плоского конденсатора, который имеет две обкладки и полностью заряжен до некоторого максимального значения. На таком конденсаторе будет индуцирован электрический заряд, а пространство между обкладками пусть будет наполнено газообразным диэлектриком, например, воздухом. Каждая обкладка конденсатора имеет некоторое количество заряда Q . Так как обкладки конденсатора выполнены из металла в котором носителем зарядов являются отрицательного типа заряды — электроны, то на одной обкладке будет избыток электронов, а на другой недостаток. Таким образом можно обозначить одну обкладку как +Q , а другую как -Q , и силовые линии электрического поля будут направлены согласно правилам от +Q к -Q . В итоге мы получим картину приведенную на рисунке ниже.

Давайте примем, что размер такого конденсатора больше человеческого роста в несколько раз, пусть обкладки будут представлять собой стены двух больших высоких зданий, которые обклеили металлическими листами сваренными вместе в единый лист. Вы можете свободно перемещаться внутри такого конденсатора от одной обкладки к другой в любом направлении. Мысленно можно представить, что там где изображены силовые линии, кто-то закрепил балки из сухого дерева, а на местах эквипотенциальных линий установлены лестницы из того же материала. В итоге вы сможете свободно перемещаться в таком пространстве внутри конденсатора. Если у вас хватит силы воображения, вы сможете представить такую конструкцию без проблем. Размер может быть любой, но при условии, что протяженность и высота обкладок во много раз больше чем расстояние между обкладками.

Электрическое поле полностью заряженного конденсатора в нашем случае будет статическим, то есть неизменным во времени, его характеристики не меняются с течением времени. Что мы имеем? У нас есть две обкладки обладающие некоторым количеством заряда равной величины, но противоположного знака. Эти обкладки будут притягиваться к друг другу в соответствии с , но эта электрическая сила скомпенсирована тем, что обкладки прочно закреплены на стенах воображаемых зданий. Картина электрического поля такого конденсатора представлена силовыми и эквипотенциальными линиями, которые обозначены материальными предметами такими как деревянные балки и лестницы. Вы можете свободно путешествовать внутри такого конденсатора и выполнять необходимые измерения. Ни о каком , а тем более о силе тока речи здесь не идет, потому как нет свободных носителей заряда.

Опытный электрик может поинтересоваться, а какое напряжение будет на таком конденсаторе? Это закономерный и справедливый вопрос, но нам следует разобраться что такое это самое напряжение . Тут нам следует вспомнить о пробном заряде , который использовался для объяснения напряженности электрического поля. Предположим, что такой заряд появился и он может свободно перемещаться в пространстве между обкладками конденсатора. Что же это может быть? Представьте, что вы являетесь тем самым пробным зарядом и испытываете на себе дальнодействие электрических сил. Разумеется, в реальной жизни такое маловероятно, но в нашем мысленном эксперименте такое вполне допустимо.

Физическая работа пробного заряда в электрическом поле

Итак, вы превратились в пробный электрический заряд q во много раз меньший чем заряд Q на обкладках конденсатора и начали свое путешествие между обкладок конденсатора. При этом вы будете испытывать действие . Допустим, что вы являетесь отрицательно заряженной частицей подобно электрону, тогда вас будет притягивать в сторону обкладки +Q , и вас будет отталкивать от обкладки с зарядом -Q . Чем ближе вы будете к одной из обкладок, тем сильнее вы будете испытывать ее силовое действие.

Предположим, что вы вошли в конденсатор со стороны обкладки -Q и вас тут же начало отталкивать от нее в сторону обкладки +Q . Вы не стали сопротивляться такому воздействию и решили не противится природе и двигаться в полном согласии с влечением. Для этих целей как раз удобно расположены балки и лестницы, по которым вы можете свободно добраться до обкладки +Q любым маршрутом. Так как на вас действуют электрическая кулоновская сила, то вы начинаете свободно набирать скорость, словно вас несет ветром. В итоге вы преодолели расстояние по балке от одной лестницы до другой в направлении от точки A к точке B (смотрите рисунок выше ). Лестницы — это эквипотенциальные линии, и соответственно, вы преодолели расстояние от одного значения потенциала к другому. В нашем случае вы двигались от того потенциала, который для вас больший по величине, к тому, что меньше. Если же вы были бы зарядом другого знака, то есть +q , тогда потенциалы поменяли бы свои знаки и больший стал бы меньшим, а меньший большим. Математически это означает умножение потенциалов на -1 .

На вас действовала сила и вы переместились из точки A в точку B , другими словами вы двигались от потенциала φ a (большего) к потенциалу φ b (меньшему). Это подобно тому, как если бы вы плыли по течению реки на плоту, когда вам не нужно грести веслами и не требуется мотора для движения. Можно сказать, что вами совершена механическая работа, которая является вычисляется как произведение силы на расстояние. Совершив такое перемещение, вы потеряли часть потенциальной энергии, которая перешла в кинетическую (скорость вашего движения), а затем выделилась вероятно в виде тепла при торможении. Проделав обратный путь из точки B в точку A , вы будете двигаться как бы против течения, вам придется затратить энергию, грести веслами, использовать мотор и т. п. Переместившись обратно вы увеличите свою потенциальную энергию, потому как переместитесь в точку с большим потенциалом и ваше энергетическое состояние увеличится.

Разность этих двух потенциалов φ a и φ b и будет являться электрическим напряжением . Это равнозначные понятия, но в практической электротехнике чаще всего употребляют выражение не , а напряжение . При рассмотрении электрических цепей употребляют такое выражение как падение напряжения на участке цепи, а для источников электричество та же самая разность потенциалов определяется как электродвижущая сила (ЭДС).

Разность потенциалов Δφ=φ 1 -φ 2 всегда показывает какую работу A может совершить носитель заряда q при перемещении этого заряда из точки с одним потенциалом φ 1 в точку с другим потенциалом φ 2 . При вычислении надо иметь в виду, что потенциалы могут быть как со знаком плюс , так и со знаком минус .

Если заряду для такого перемещения требуется затратить энергию, а значит увеличить свой потенциал, то тогда работа А будет со знаком (-), а если носитель заряда перемещается из области высокого потенциала в область с низким потенциалом, тогда происходит выделение энергии и работа А будет со знаком (+). Таким образом электрическое напряжение — это энергетическая характеристика электрического поля и представляет собой Δφ . Это значит, что принципиально неверно утверждать, что напряжение — это потенциал. Электрическое напряжение — это всегда разность потенциалов и она возможна только между двумя точками электрического поля. Если имеется одна точка в пространстве электрического поля, тогда уместно говорить только о потенциале этой точки, но никак ни о ее напряжении.

Электрическое напряжение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Электрическое напряжение

Cтраница 3

Электрические напряжения вызывают электролитические и электроосмотические процессы.  [31]

Электрическое напряжение от генератора подается на пьезоэлектрическую пластинку ПЭ, прикладываемую к измеряемому материалу. Изменяя емкость С или индуктивность LI, можно добиться такой частоты колебаний генератора, а следовательно, и частоты колебаний пьезоэлектрической пластинки, отри которых в материале возникнут стоячие волны с пучностью у поверхности материала. При большой толщине материала и малой длине волны в материале могут уложиться несколько полуволн.  [32]

Электрическое напряжение ( символ U, единица — вольт, В) — физическая величина, численно равная работе, совершаемой полем кулоновских сил при перемещении одиночного положительного заряда на участке электрической цепи, на концах которой измеряют электрическое напряжение.  [33]

Электрическое напряжение является одной из важнейших электротехнических величин. При помощи напряжения определяют, например, напряженность электрического поля, работу и мощность, развиваемую электрическим током.  [34]

Электрические напряжения, возникающие в датчиках, пропорциональны действию на опоры центробежных сил от неуравновешенности ротора. Напряжения основных, передних датчиков, усиленные и отфильтрованные электронной схемой, поступают на прибор величина неуравновешенности. С помощью потенциометрического устройства исключается влияние сторон, что позволяет производить раздельную балансировку ротора по левой и правой плоскости исправления.  [35]

Электрическое напряжение — это величина, численно равная работе по перемещению единицы электрического заряда между двумя произвольными точками электрической цепи.  [36]

Электрическое напряжение ( напряжение) U между двумя точками электрической цепи равно работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда из одной точки в другую.  [37]

Электрическое напряжение может привести к электрическому искрению, например на блоке возбудителя в роторе. Электрическое искрение может вызывать озон, который, даже в небольшом количестве может неблагоприятно воздействовать на резину.  [38]

Электрическое напряжение или разность потенциалов между рассматриваемыми точками пространства является физической величиной, которая определяется электрическим полем. Значение напряжения равно линейному интегралу вектора напряженности электрического поля вдоль пути от одной точки к другой.  [39]

Электрическое напряжение можно просто измерить на опыте. Для этого служат приборы, называемые электрометрами или электростатическими вольтметрами.  [40]

Электрическое напряжение внешне ничем себя не проявляет, и органы чувств человека, не имеющего контакта с проводниками электричества, не обнаруживают грозящей опасности. Опасность поражения электрическим током возникает в момент прикосновения к неизолированным токоведущим частям с такой быстротой, что человек, находящийся под напряжением, часто лишен возможности самостоятельно оторваться от них.  [41]

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность при перемещении носителей электричества в электрической цепи. Для измерения высоких напряжений пользуются более — крупными единицами — киловольтами ( кВ) — тысячами вольт.  [42]

Электрическое напряжение является одной из важнейших электротехнических величин. При помощи напряжения определяют напряженность электрического поля, работу и мощность, развиваемую при перемещении электрических зарядов в электрическом поле.  [43]

Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Для измерения высоких напряжений пользуются более крупными единицами — киловольтами ( кВ) — тысячами вольт.  [44]

Страницы:      1    2    3    4

Электрическое напряжение.

Мы знаем, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создается электрическим полем, а оно при этом совершает работу. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. В процессе такой работы энергия электрического поля превращается в другой вид энергии — механическую, внутреннюю и др.

От чего же зависит работа тока? Можно с уверенностью сказать, что она зависит от силы тока, т. е. от электрического заряда, протекающего по цепи в 1 с. В этом мы убедились, знакомясь с различными действиями тока (см. § 35). Например, пропуская ток по железной или никелиновой проволоке, мы видели, что чем больше была сила тока, тем выше становилась температура проволоки, т. е. сильнее было тепловое действие тока.

Но не только от одной силы тока зависит работа тока. Она зависит еще и от другой величины, которую называют электрическим напряжением или просто напряжением.

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Оно обозначается буквой U. Чтобы ознакомиться с этой очень важной физической величиной, обратимся к опыту.

На рисунке 63 изображена электрическая цепь, в которую включена лампочка от карманного фонарика. Источником тока здесь служит аккумулятор. На рисунке 64 показана другая цепь, в нее включена лампа, используемая для освещения помещений. Источником тока в этой цепи является городская осветительная сеть. Амперметры, включенные в указанные цепи, показывают одинаковую силу тока в обеих цепях. Однако лампа, включенная в городскую сеть, дает гораздо больше света и тепла, чем лампочка от карманного фонаря. Объясняется это тем, что при одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного 1 Кл, различна. Эта работа тока и определяет новую физическую величину, называемую электрическим напряжением.

Напряжение, которое создает аккумулятор, значительно меньше напряжения городской сети. Именно поэтому при одной и той же силе тока лампа, включенная в цепь аккумулятора, дает меньше света и тепла.

Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Зная работу тока А на данном участке цепи и весь электрический заряд q, прошедший по этому участку, можно определить напряжение U, т. е. работу тока при перемещении единичного электрического заряда: U= .

Следовательно, напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, про шедшему по этому участку.

Электрический ток подобен течению воды в реках и водопадах, т. е. течению воды с более высокого уровня на более низкий. Здесь электрический заряд (количество электричества) соответствует массе воды, протекающей через сечение реки, а напряжение — разности уровней, напору воды в реке. Работа, которую совершает вода, падая, например, с плотины, зависит от массы воды и высоты ее падения.

Работа тока зависит от электрического заряда, протекающего через сечение проводника, и от напряжения на этом проводнике. Чем больше разность уровней воды, тем большую работу совершает вода при своем падении; чем больше напряжение на участке цепи, тем больше работа тока. В озерах и прудах уровень воды всюду одинаков, и там вода не течет; если в электрической цепи нет напряжения, то в ней нет и электрического тока.

Напряжение и напряженность отличие

Автор На чтение 13 мин. Опубликовано 12.12.2019

В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое

поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает энергией, которая проявляется в виде сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Электрическое поле условно изображают в виде силовых линий, которые направлены в ту сторону, в которую двигалась бы в поле положительно заряженная частица.

Напряженность поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рис. 4) с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е, под которой понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:

По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля E уменьшается (рис. 3,а,б и в). Только в однородном электрическом поле (рис. 3,г) напряженность одинакова во всех его точках.

Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу, которая может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу. Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал φ поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.

За нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.

Электрическое напряжение.Разные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, важнее знать разность потенциалов φ₁-φ₂ между двумя точками поля А и Б (рис. 5). Разность потенциалов φ₁ и φ₂ двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую – точку с меньшим потенциалом и носит название электрического

напряжения. Электрическое напряжение обозначают буквой U.

Единицей электрического напряжения служит Вольт (В).

3. Электрический ток и электропроводность вещества.

В веществе, помещенном в электрическое поле, возникает процесс направленного движения элементарных носителей электричества. Заряженными частицами являются электроны или ионы. Движение этих электрически заряженных частиц называется электрическим током.

Единицей силы тока служит Ампер (А). Это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное 1 Кл. В формулах ток обозначают буквой I.

В электротехнике широко применяют как постоянный, так и переменный ток. Постоянным называют ток, значение и направление которого в любой момент времени остаются неизменными (рис. 6, а). Токи, значение и направление которых не остаются постоянными, называют изменяющимися, или переменными.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называют электропроводностью. Электропроводность различных веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем их больше, тем больше электропроводность данного вещества. Все вещества в зависимости от электропроводности делят на три группы: проводники, диэлектрики (изолирующие материалы) и полупроводники.

Высокая электропроводность металлов объясняется электронной теорией строения атома, согласно которой атомы металлов имеют такое строение, при котором электроны на последней электронной орбите сравнительно слабо связаны с ядрами атомов. Поэтому они свободно перемещаются между атомами, переходя от одного к другому и заполняя пространство между ними. Эти электроны называются свободными.

Если внести металлический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Таким образом, электрическим током в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение свободных электронов.

Статьи, Схемы, Справочники

Напряженность электрического поля. Физическая природа электрического поля и его графическое изображение. В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.

Поиск данных по Вашему запросу:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Перейти к результатам поиска >>>

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Что убивает? Ток или напряжение? – ElectroBOOM

Напряженность электрического поля

Разность потенциалов. Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела. Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический заряд , т. В том и другом случае тело будет обладать определенной степенью электризации, т.

Разность уровней электрических зарядов двух тел принято называть разностью электрических потенциалов или просто разностью потенциалов. Следует иметь в виду, что если два одинаковых тела заряжены одноименными зарядами, но одно больше, чем другое, то между ними также будет существовать разность потенциалов.

Кроме того, разность потенциалов существует между двумя такими телами, одно из которых заряжено, а другое не имеет заряда. Так, например, если какое-либо тело, изолированное от земли, имеет некоторый потенциал, то разность потенциалов между ним и землей потенциал которой принято считать равным нулю численно равна потенциалу этого тела. Итак, если два тела заряжены таким образом, что потенциалы их неодинаковы, между ними неизбежно существует разность потенциалов. Всем известное явление электризации расчески при трении ее о волосы есть не что иное, как создание разности потенциалов между расческой и волосами человека.

Действительно, при трении расчески о волосы часть электронов переходит на расческу, заряжая ее отрицательно, волосы же, потеряв часть электронов, заряжаются в той же степени, что и расческа, но положительно. Созданная таким образом разность потенциалов может быть сведена к нулю прикосновением расчески к волосам. Этот обратный переход электронов легко обнаруживается на слух, если наэлектризованную расческу приблизить к уху. Характерное потрескивание будет свидетельствовать о происходящем разряде.

Говоря выше о разности потенциалов, мы имели в виду два заряженных тела, однако разность потенциалов можно получить и между различными частями точками одного и того же тела.

Так, например, рассмотрим, что произойдет в куске медной проволоки , если под действием какой-либо внешней силы нам удастся свободные электроны, находящиеся в проволоке, переместить к одному концу ее. Очевидно, на другом конце проволоки получится недостаток электронов, и тогда между концами проволоки возникнет разность потенциалов. Стоит нам прекратить действие внешней силы, как электроны тотчас же, в силу притяжения разноименных зарядов, устремятся к концу проволоки, заряженному положительно, т.

Электродвижущая сила и напряжение. Такими источниками энергии служат так называемые источники электрического тока , обладающие определенной электродвижущей силой , которая создает и длительное время поддерживает разность потенциалов на концах проводника. Электродвижущая сила сокращенно ЭДС обозначается буквой Е. Единицей измерения ЭДС служит вольт. У нас в стране вольт сокращенно обозначается буквой «В», а в международном обозначении — буквой «V». Итак, чтобы получить непрерывное течение электрического тока , нужна электродвижущая сила, т.

Первым таким источником тока был так называемый «вольтов столб», который состоял из ряда медных и цинковых кружков, проложенных кожей, смоченной в подкисленной воде. Таким образом, одним из способов получения электродвижущей силы является химическое взаимодействие некоторых веществ, в результате чего химическая энергия превращается в энергию электрическую. Источники тока, в которых таким путем создается электродвижущая сила, называются химическими источниками тока.

В настоящее время химические источники тока — гальванические элементы и аккумуляторы — широко применяются в электротехнике и электроэнергетике. Другим основным источником тока, получившим широкое распространение во всех областях электротехники и электроэнергетики, являются генераторы. Генераторы устанавливаются на электрических станциях и служат единственным источником тока для питания электроэнергией промышленных предприятий, электрического освещения городов, электрических железных дорог, трамвая, метро, троллейбусов и т.

Как у химических источников электрического тока элементов и аккумуляторов , так и у генераторов действие электродвижущей силы совершенно одинаково. Оно заключается в том, что ЭДС создает на зажимах источника тока разность потенциалов и поддерживает ее длительное время. Эти зажимы называются полюсами источника тока. Один полюс источника тока испытывает всегда недостаток электронов и, следовательно, обладает положительным зарядом, другой полюс испытывает избыток электронов и, следовательно, обладает отрицательным зарядом.

Источники тока служат для питания электрическим током различных приборов — потребителей тока. Потребители тока при помощи проводников соединяются с полюсами источника тока, образуя замкнутую электрическую цепь.

Разность потенциалов, которая устанавливается между полюсами источника тока при замкнутой электрической цепи, называется напряжением и обозначается буквой U. Единицей измерения напряжения, так же как и ЭДС, служит вольт. Если, например, надо записать, что напряжение источника тока равно 12 вольтам, то пишут: U — 12 В.

Для измерения ЭДС или напряжения применяется прибор, называемый вольтметром. Чтобы измерить ЭДС или напряжение источника тока, надо вольтметр подключить непосредственно к его полюсам. При этом, если электрическая цепь разомкнута, то вольтметр покажет ЭДС источника тока.

Если же замкнуть цепь, то вольтметр уже покажет не ЭДС, а напряжение на зажимах источника тока. ЭДС, развиваемая источником тока, всегда больше напряжения на его зажимах. Искать в Школе для электрика:. Д ля поддержания электрического тока в проводнике необходим какой-то внешний источник энергии, который все время поддерживал бы разность потенциалов на концах этого проводника.

Курс лекций, модуль 4

Разность потенциалов. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле. За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а потенциал Земли, б потенциал бесконечно удаленной точки поля, в потенциал отрицательной пластины конденсатора. В СИ потенциал измеряется в вольтах:. Измерение электрического напряжения разности потенциалов.

Справочник химика 21

Для накопления разноименных электрических зарядов служит устройство, которое называется конденсатором. Конденсатор — система двух изолированных друг от друга проводников которые часто называют обкладками конденсатора , один из которых заряжен положительным, второй — таким же по величине, но отрицательным зарядом. Если эти проводники представляют собой плоские параллельные пластинки, расположенные на небольшом рас-стоянии друг от друга, то конденсатор называется плоским. Для характеристики способности конденсатора накапливать заряд вводится понятие электроемкости часто говорят просто емкости. Емкостью конденсатора называется отношение заряда конденсатора к той разности потенциалов , которая возникает между обкладками при их заряжении зарядами и эту разность потенциалов проводников часто называют электрическим напряжением между обкладками и обозначают буквой :. Поскольку величины и или в формуле Действительно, при сообщении проводникам зарядов и проводники приобретут потенциалы, разность которых будет пропорциональна заряду. Поэтому в отношении Выведем формулу для емкости плоского конденсатора эта формула входит в программу школьного курса физики. При заряжении параллельных пластин, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга, зарядами и , в пространстве между ними возникает однородное электрическое поле с напряженностью см.

Связь напряжения с напряжённостья электрического поля

Строительный словарь. Напряженность электрического поля — векторная величина, характеризующая электрическое поле и определяющая силу, действующую на электрически заряженную частицу со стороны электрического поля Напряженность электрического поля — Напряжённость электрического поля векторная характеристика электрического поля в данной точке, равная отношению силы , действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:. Напряженность электрического поля — 1.

§ 2.4. Напряжение на участке цепи

Разность потенциалов. Известно, что одно тело можно нагреть больше, а другое меньше. Степень нагрева тела называется его температурой. Подобно этому, одно тело можно наэлектризовать больше другого. Степень электризации тела характеризует величину, называемую электрическим потенциалом или просто потенциалом тела. Что значит наэлектризовать тело?

Напряженность электрического поля

Напряжение на участке цепи. Под, напряжением на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка. На рис. Пусть ток I течет от точки а к точке b от более высокого потенциала к более низкому. В электротехнике разность потенциалов на концах сопротивления называют либо напряжением на сопротивлении, либо падением напряжения.

Потенциал. Разность потенциалов.

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля — действие на электрические заряды с некоторой силой.

Электрогирационный измерительный преобразователь напряжения. Введение 1. Анализ существующих оптико-электронных методов преобразования высоких напряжений 1. Способы преобразования высокого напряжения с использованием эффекта электрогирации 2.

В статье описаны основные характеристики электрического поля: потенциал, напряжение и напряженность. Что такое электрическое поле. Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Свойства пространства вокруг зарядов заряженных тел отличаются от свойств пространства, в котором нет зарядов. При этом свойства пространства при внесении в него электрического заряда изменяются не мгновенно: изменение начинается у заряда и с определенной скоростью распространяется от одной точки пространства к другой. В пространстве, содержащем заряд, проявляются механические силы, действующие на другие заряды, внесенные в это пространство. Эти силы есть результат не непосредственного действия одного заряда на другой, а действия через качественно изменившуюся среду.

В природе существует много интересных явлений, которые обычные люди до сих пор полностью не понимают. К этой категории можно отнести напряжённость электрического поля. Несмотря на то что характеристики этого явления определяются довольно просто, воспользоваться им можно далеко не всегда. Это направление больше носит теоретический характер, из-за чего учёные делают основной упор на получение выгоды в краткосрочной перспективе.

Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение.

Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду:

– энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной.

За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора.

– следствие принци­па суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически).

Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность.

В СИ потенциал измеряется в вольтах:

Разность потенциалов

Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории.

Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля.

Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора

Единица разности потенциалов

Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж.

Связь между напряженностью и напряжением.

Из доказанного выше: →

напряженность равна градиенту потенциала (скорости изменения потенциала вдоль направления d).

Из этого соотношения видно:

1. Вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
2. Электрическое поле существует, если существует разность потенциалов.
3. Единица напряженности: – Напряженность поля равна1 В/м, если между двумя точками поля, находящимися на расстоянии 1 м друг от друга существует разность потенциалов 1 В.

Эквипотенциальные поверхности.

ЭПП – поверхности равного потенциала.

– работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается;

– вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке.

Измерение электрического напряжения (разности потенциалов)

Между стержнем и корпусом — электрическое поле. Измерение потенциала кондуктора Измерение напряжения на гальваническом элементе Электрометр дает большую точность, чем вольтметр.

Потенциальная энергия взаимодействия зарядов.

Потенциал поля точечного заряда

Потенциал заряженного шара

а) Внутри шара Е=0, следовательно, потенциалы во всех точках внутри заряженного металлического шара одинаковы (. ) и равны потенциалу на поверхности шара.

б) Снаружи поле шара убывает обратно пропорционально расстоянию от центра шара, как и в случае точечного заряда.

Перераспределение зарядов при контакте заряженных проводников.

Переход зарядов происходит до тех пор, пока потенциалы контактирующих тел не станут равными.

электрических полей и емкости | Конденсаторы

Введение

Когда электрическое напряжение существует между двумя отдельными проводниками, электрическое поле присутствует в пространстве между этими проводниками. В базовой электронике мы изучаем взаимодействия напряжения, тока и сопротивления в цепях, которые представляют собой проводящие пути, по которым могут перемещаться электроны. Однако когда мы говорим о полях, мы имеем дело с взаимодействиями, которые могут распространяться на пустое пространство.

По общему признанию, понятие «поле» несколько абстрактно. По крайней мере, с помощью электрического тока не так уж сложно представить себе крошечные частицы, называемые электронами, движущиеся между ядрами атомов внутри проводника, но «поле» даже не имеет массы и вовсе не обязательно должно существовать в материи. .

Несмотря на его абстрактный характер, почти каждый из нас имеет непосредственный опыт работы с полями, по крайней мере, в форме магнитов. Вы когда-нибудь играли с парой магнитов, замечая, как они притягиваются или отталкиваются в зависимости от их взаимной ориентации? Между парой магнитов существует неоспоримая сила, и эта сила не имеет «вещества».«У него нет массы, нет цвета, нет запаха, и если бы не физическая сила, действующая на сами магниты, он был бы совершенно нечувствителен к нашим телам. Физики описывают взаимодействие магнитов с помощью магнитных полей в пространстве между ними. Если положить железные опилки возле магнита, они ориентируются по линиям поля, визуально указывая на его наличие.

Электрические поля

Предмет этой главы — электрические поля (и устройства, называемые конденсаторами, которые их используют), а не магнитные поля, но между ними есть много общего.Скорее всего, вы тоже испытывали электрические поля. Глава 1 этой книги началась с объяснения статического электричества и того, как такие материалы, как воск и шерсть, при трении друг о друга создают физическое притяжение. Опять же, физики описали бы это взаимодействие в терминах электрических полей, создаваемых двумя объектами в результате их электронного дисбаланса. Достаточно сказать, что всякий раз, когда между двумя точками существует напряжение, в пространстве между этими точками будет проявляться электрическое поле.

Сила поля и поток поля

Поля имеют две меры: поле силы и поле потока . Поле сила — это величина «толчка», которую поле оказывает на определенном расстоянии . Поле поток — это общее количество или эффект поля через пространство . Сила и поток поля примерно аналогичны напряжению («толкать») и току (потоку) через проводник, соответственно, хотя поток поля может существовать в полностью пустом пространстве (без движения частиц, таких как электроны), тогда как ток может иметь место только где есть свободные электроны, чтобы двигаться.В пространстве можно противодействовать потоку поля, так же как потоку электронов можно противостоять сопротивлением. Величина потока поля, который будет развиваться в космосе, пропорциональна величине приложенной силы поля, деленной на величину сопротивления магнитному потоку. Подобно тому, как тип проводящего материала определяет удельное сопротивление проводника электрическому току, тип изоляционного материала, разделяющего два проводника, определяет определенное сопротивление потоку поля.

Обычно электроны не могут войти в проводник, если не существует пути для выхода равного количества электронов (помните аналогию с мрамором в трубке?).Вот почему проводники должны быть соединены вместе по круговой траектории (цепи), чтобы возник непрерывный ток. Однако, как ни странно, дополнительные электроны могут быть «втиснуты» в проводник без пути для выхода, если электрическое поле может развиваться в пространстве относительно другого проводника. Количество дополнительных свободных электронов, добавленных к проводнику (или отнятых свободных электронов), прямо пропорционально величине потока поля между двумя проводниками.

Электрическое поле конденсаторов

Конденсаторы — это компоненты, предназначенные для использования этого явления путем размещения двух проводящих пластин (обычно металлических) в непосредственной близости друг от друга.Существует множество различных стилей конструкции конденсаторов, каждый из которых подходит для определенных номиналов и целей. Для очень маленьких конденсаторов будет достаточно двух круглых пластин с изоляционным материалом. Для конденсаторов большей емкости «пластины» могут быть полосами металлической фольги, зажатой вокруг гибкой изолирующей среды и свернутой для компактности. Самые высокие значения емкости достигаются при использовании слоя изолирующего оксида микроскопической толщины, разделяющего две проводящие поверхности. Но в любом случае общая идея та же: два проводника, разделенных изолятором.

Схематическое обозначение конденсатора довольно простое и представляет собой немногим больше двух коротких параллельных линий (представляющих пластины), разделенных зазором. Провода прикрепляются к соответствующим пластинам для подключения к другим компонентам. На более старом устаревшем схематическом изображении конденсаторов были изображены чередующиеся пластины, что на самом деле является более точным способом представления реальной конструкции большинства конденсаторов:

Когда напряжение подается на две пластины конденсатора, между ними создается концентрированный поток поля, позволяющий значительной разнице свободных электронов (заряда) между двумя пластинами:

Поскольку электрическое поле создается приложенным напряжением, лишние свободные электроны вынуждены собираться на отрицательном проводнике, в то время как свободные электроны «отнимаются» у положительного проводника.Этот дифференциальный заряд соответствует накоплению энергии в конденсаторе, представляющем потенциальный заряд электронов между двумя пластинами. Чем больше разница между электронами на противоположных обкладках конденсатора, тем больше поток поля и тем больший «заряд» энергии будет накапливать конденсатор.

Поскольку конденсаторы хранят потенциальную энергию накопленных электронов в виде электрического поля, они ведут себя совершенно иначе, чем резисторы (которые просто рассеивают энергию в виде тепла) в цепи.Накопление энергии в конденсаторе зависит от напряжения между пластинами, а также от других факторов, которые мы обсудим позже в этой главе. Способность конденсатора накапливать энергию в зависимости от напряжения (разности потенциалов между двумя выводами) приводит к стремлению поддерживать напряжение на постоянном уровне. Другими словами, конденсаторы имеют тенденцию выдерживать изменений напряжения на . Когда напряжение на конденсаторе увеличивается или уменьшается, конденсатор «сопротивляется» изменению, потребляя ток или подавая ток к источнику изменения напряжения, в противовес изменению.

Для сохранения большего количества энергии в конденсаторе необходимо увеличить напряжение на нем. Это означает, что к пластине (-) должно быть добавлено больше электронов, а от пластины (+) должно быть отведено больше электронов, что требует наличия тока в этом направлении. И наоборот, чтобы высвободить энергию из конденсатора, необходимо уменьшить напряжение на нем. Это означает, что часть избыточных электронов на пластине (-) должна быть возвращена на пластину (+), что требует протекания тока в другом направлении.

Точно так же, как Первый закон движения Исаака Ньютона («объект в движении имеет тенденцию оставаться в движении; объект в состоянии покоя имеет тенденцию оставаться в состоянии покоя») описывает тенденцию массы противодействовать изменениям скорости, мы можем констатировать тенденцию конденсатора противодействовать изменениям напряжения как таковым: «Заряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться заряженным; разряженный конденсатор имеет тенденцию оставаться разряженным.«Гипотетически, оставленный нетронутым конденсатор будет бесконечно поддерживать любое оставшееся состояние заряда по напряжению. Только внешний источник (или сток) тока может изменить заряд напряжения, накопленный идеальным конденсатором:

На практике, однако, конденсаторы в конечном итоге теряют свои накопленные заряды напряжения из-за внутренних путей утечки электронов, перемещающихся от одной пластины к другой. В зависимости от конкретного типа конденсатора время, необходимое для саморассеивания накопленного заряда напряжения, может составлять длинных раз (несколько лет, когда конденсатор стоит на полке!).

Когда напряжение на конденсаторе увеличивается, он потребляет ток от остальной цепи, действуя как силовая нагрузка. В этом состоянии конденсатор называется , заряжающим , потому что в его электрическом поле накапливается увеличивающееся количество энергии. Обратите внимание на направление электронного тока с учетом полярности напряжения:

И наоборот, когда напряжение на конденсаторе уменьшается, конденсатор подает ток на остальную часть цепи, действуя как источник питания.В этом состоянии говорят, что конденсатор разряжается . Его запас энергии, удерживаемый в электрическом поле, теперь уменьшается по мере того, как энергия передается остальной части цепи. Обратите внимание на направление тока с учетом полярности напряжения:

Если источник напряжения внезапно прикладывается к незаряженному конденсатору (внезапное повышение напряжения), конденсатор будет потреблять ток от этого источника, поглощая из него энергию, до тех пор, пока напряжение конденсатора не сравняется с напряжением источника.Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (заряженного) состояния, его ток спадает до нуля. И наоборот, если сопротивление нагрузки подключено к заряженному конденсатору, конденсатор будет подавать ток на нагрузку, пока он не высвободит всю свою накопленную энергию и его напряжение не упадет до нуля. Как только напряжение на конденсаторе достигает этого конечного (разряженного) состояния, его ток спадает до нуля. По своей способности заряжаться и разряжаться конденсаторы можно рассматривать как нечто похожее на батареи вторичных элементов.

Выбор изоляционного материала между пластинами, как упоминалось ранее, имеет большое влияние на то, какой поток поля (и, следовательно, сколько заряда) будет развиваться при любой заданной величине напряжения, приложенного к пластинам. Из-за роли этого изоляционного материала в воздействии на магнитный поток поля он получил специальное название: диэлектрик . Не все диэлектрические материалы одинаковы: степень, в которой материалы препятствуют или стимулируют формирование потока электрического поля, называется диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Мера способности конденсатора накапливать энергию при заданном падении напряжения называется емкостью . Неудивительно, что емкость также является мерой силы сопротивления изменениям напряжения (точно, сколько тока она будет производить при заданной скорости изменения напряжения). Емкость символически обозначается заглавной буквой «С» и измеряется в единицах Фарад, сокращенно «Ф».

Конвенция

по какой-то странной причине отдает предпочтение метрической приставке «микро» при измерении больших емкостей, и поэтому многие конденсаторы оцениваются с точки зрения очень больших значений микрофарад: например, один большой конденсатор, который я видел, имел номинал 330 000 мкФ. !! Почему бы не указать 330 миллифарад? Я не знаю.

Устаревшее название конденсатора

Устаревшее название конденсатора — конденсатор или конденсатор . Эти термины не используются ни в каких новых книгах или схематических диаграммах (насколько мне известно), но они могут встречаться в более старой литературе по электронике. Возможно, наиболее известное использование термина «конденсатор» — в автомобильной технике, где небольшой конденсатор, названный этим именем, использовался для уменьшения чрезмерного искрения на контактах переключателя (так называемых «точках») в электромеханических системах зажигания.

ОБЗОР:

• Конденсаторы реагируют на изменения напряжения, подавая или потребляя ток в направлении, необходимом для противодействия изменению.
• Когда конденсатор сталкивается с возрастающим напряжением, он действует как нагрузка . : потребляет ток, поскольку он накапливает энергию (ток, идущий на положительной стороне и выводящейся на отрицательной стороне, как резистор).
• Когда конденсатор сталкивается с понижающимся напряжением, он действует как источник : подает ток, высвобождая накопленную энергию (ток выходит с положительной стороны и с отрицательной стороны, как батарея).
• Способность конденсатора накапливать энергию в виде электрического поля (и, следовательно, противодействовать изменениям напряжения) называется емкостью . Он измеряется в единицах Фарад, (Ф).
• Конденсаторы обычно назывались другим термином: конденсатор (также называемый «конденсатор»).

Динамика электрического поля в головном мозге при многоэлектродной транскраниальной электростимуляции

1.

Buzsáki, G., Анастассиу, С. А. и Кох, С. Происхождение внеклеточных полей и токов — ЭЭГ, ЭКоГ, LFP и спайков. Нат. Rev. Neurosci. 13 , 407–420 (2012).

Артикул Google ученый

2.

Сигел М., Доннер Т. Х. и Энгель А. К. Спектральные отпечатки крупномасштабных взаимодействий нейронов. Nat. Rev. Neurosci. 13 , 121–134 (2012).

CAS Статья Google ученый

3.

Кэролти, Р. Т. и Найт, Р. Т. Функциональная роль межчастотной связи. Trends Cogn. Sci. 14 , 506–515 (2010).

Артикул Google ученый

4.

Шредер К. Э. и Лакатос П. Низкочастотные колебания нейронов как инструменты сенсорного отбора. Trends Neurosci. 32 , 9–18 (2009).

CAS Статья Google ученый

5.

Buzsáki, G., Logothetis, N. & Singer, W. Масштабирование размера мозга, сохранение времени: эволюционное сохранение ритмов мозга. Нейрон 80 , 751–764 (2013).

Артикул Google ученый

6.

Войтек Б. и Найт Р. Т. Динамическая сетевая коммуникация как объединяющая нейронная основа познания, развития, старения и болезней. Biol. Психиатрия 77 , 1089–1097 (2015).

Артикул Google ученый

7.

Uhlhaas, P. J. & Singer, W. Аномальные нервные колебания и синхронность при шизофрении. Nat. Rev. Neurosci. 11 , 100–113 (2010).

CAS Статья Google ученый

8.

Бассет, Д. С. и Спорнс, О. Сетевая нейробиология. Nat. Neurosci. 20 , 353–364 (2017).

CAS Статья Google ученый

9.

Анастассиу, К. А. и Кох, К. Эпаптическая связь с активностью эндогенного электрического поля: зачем беспокоиться? Curr. Opin. Neurobiol. 31 , 95–103 (2015).

CAS Статья Google ученый

10.

Polanía, R., Nitsche, M. A. & Ruff, C. C. Изучение и изменение функции мозга с помощью неинвазивной стимуляции мозга. Nat. Neurosci. 21 , 174–187 (2018).

Артикул Google ученый

11.

Явари Ф., Джамил А., Мосаеби Самани М., Видор Л. П. и Ницше М. А. Основные и функциональные эффекты транскраниальной электростимуляции (tES) — введение. Neurosci. Biobehav. Ред. 85 , 81–92 (2018).

Артикул Google ученый

12.

Antal, A. et al. Транскраниальная электростимуляция низкой интенсивности: безопасность, этические нормы, правовые нормы и правила применения. Clin. Neurophysiol. 128 , 1774–1809 (2017).

CAS Статья Google ученый

13.

Thut, G. et al. Направление транскраниальной стимуляции мозга с помощью ЭЭГ / МЭГ для взаимодействия с текущей мозговой активностью и связанными с ней функциями: позиционный документ. Clin. Neurophysiol. 128 , 843–857 (2017).

Артикул Google ученый

14.

Turi, Z., Алексейчук, И. и Паулюс, В. О способах преодоления магического ограничения рабочей памяти. PLOS Biol. 16 , e2005867 (2018).

Артикул Google ученый

15.

Polanía, R., Nitsche, M. A., Korman, C., Batsikadze, G. & Paulus, W. Важность времени в сегрегированной тета-фазовой связи для когнитивной деятельности. Curr. Биол. 22 , 1314–1318 (2012).

Артикул Google ученый

16.

Helfrich, R. F. et al. Избирательная модуляция межполушарной функциональной связности посредством восприятия форм HD-tACS. PLoS Biol. 12 , e1002031 (2014).

Артикул Google ученый

17.

Алексейчук, И., Тури, З., Амадор де Лара, Г., Антал, А. и Паулюс, В. Пространственная рабочая память у людей зависит от тета- и высокой гамма-синхронизации в префронтальной коре. Curr. Биол. 26 , 1513–1521 (2016).

CAS Статья Google ученый

18.

Виоланте, И. Р. и др. Внешне индуцированная лобно-теменная синхронизация модулирует динамику сети и увеличивает производительность рабочей памяти. Элиф 6 , e22001 (2017).

Артикул Google ученый

19.

Polanía, R., Moisa, M., Opitz, A., Grueschow, M. & Ruff, C.C. Точность выбора на основе значений причинно зависит от лобно-теменной связи фаз. Nat. Commun. 6 , 8090 (2015).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

20.

Bächinger, M. et al. Параллельная tACS-fMRI выявляет причинное влияние энергосинхронизированной нейронной активности на подключение fMRI в состоянии покоя. J. Neurosci. 37 , 4766–4777 (2017).

Артикул Google ученый

21.

Ценг, П., Ю, К.-C. И Хуан, С.-Х. Критическая роль разности фаз в тета-колебаниях между двусторонними теменными кортиками для зрительно-пространственной рабочей памяти. Sci. Отчет 8 , 349 (2018).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

22.

Strüber, D., Rach, S., Trautmann-Lengsfeld, S.A., Engel, A.K. & Herrmann, C.S. Противофазная стимуляция колебательным током 40 Гц влияет на восприятие бистабильных движений. Brain Topogr. 27 , 158–171 (2014).

Артикул Google ученый

23.

Алексейчук, И., Пабель, С. К., Антал, А., Паулюс, В. Десинхронизация внутриполушарного тета-ритма ухудшает рабочую память. Рестор. Neurol. Neurosci. 35 , 147–158 (2017).

PubMed Google ученый

24.

Фрайз П. Ритмы познания: общение через согласованность. Нейрон 88 , 220–235 (2015).

CAS Статья Google ученый

25.

Фелл, Дж. И Аксмахер Н. Роль фазовой синхронизации в процессах памяти. Nat. Rev. Neurosci. 12 , 105–118 (2011).

CAS Статья Google ученый

26.

Ханслмайр, С., Старезина, Б. П. и Боуман, Х. Колебания и эпизодическая память: решение головоломки синхронизации / десинхронизации. Trends Neurosci. 39 , 16–25 (2016).

CAS Статья Google ученый

27.

Тут, Г., Миниусси, К. и Гросс, Дж. Функциональное значение ритмической активности в головном мозге. Curr. Биол. 22 , R658 – R663 (2012).

CAS Статья Google ученый

28.

Сатурнино, Г. Б., Мадсен, К. Х., Зибнер, Х.Р. и Тильшер А. Как достичь межрегиональной фазовой синхронизации с помощью двухсайтовой транскраниальной стимуляции переменным током. Neuroimage 163 , 68–80 (2017).

Артикул Google ученый

29.

Opitz, A. et al. Пространственно-временная структура внутричерепных электрических полей, индуцированных транскраниальной электростимуляцией у людей и нечеловеческих приматов. Sci. Отчет 6 , 31236 (2016).

CAS Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

30.

Opitz, A., Falchier, A., Linn, G. S., Milham, M. P. & Schroeder, C. E. Ограничения измерений ex vivo для нейробиологии in vivo. Proc. Natl Acad. Sci. 114 , 5243–5246 (2017).

CAS Статья Google ученый

31.

Krause, M. R. et al. Транскраниальная стимуляция постоянным током способствует ассоциативному обучению и изменяет функциональные связи в головном мозге приматов. Curr. Биол. 27 , 3086–3096. e3 (2017).

CAS Статья Google ученый

32.

Кар, К., Дуйнхауэр, Дж. И Крекельберг, Б. Транскраниальная стимуляция переменным током ослабляет адаптацию нейронов. J. Neurosci. 37 , 2325–2335 (2017).

CAS Статья Google ученый

33.

Алексейчук И., Мантелл, К., Ширинпур, С. и Опиц, А. Сравнительное моделирование транскраниальной магнитной и электрической стимуляции у мышей, обезьян и человека. Neuroimage 194 , 136–148 (2019).

Артикул Google ученый

34.

Чжан, Х., Уотрус, А. Дж., Патель, А. и Джейкобс, Дж. Тета- и альфа-колебания — это бегущие волны в неокортексе человека. Нейрон 98 , 1269–1281. e4 (2018).

CAS Статья Google ученый

35.

Мюллер, Л., Чаван, Ф., Рейнольдс, Дж. И Сейновски, Т. Дж. Корковые бегущие волны: механизмы и вычислительные принципы. Nat. Rev. Neurosci. 19 , 255–268 (2018).

CAS Статья Google ученый

36.

Wagner, S., Burger, M. и Wolters, C.H. Оптимизационный подход для направленной транскраниальной стимуляции постоянным током. SIAM J. Appl. Математика. 76 , 2154–2174 (2016).

MathSciNet Статья Google ученый

37.

Дмоховски, Дж. П., Датта, А., Биксон, М., Су, Й. и Парра, Л. С. Оптимизированная многоэлектродная стимуляция увеличивает фокусировку и интенсивность на цели. J. Neural Eng. 8 , 046011 (2011).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

38.

Шваб Б., Миссельхорн Дж. И Энгель А. Модуляция межполушарной связи альфа-диапазона с помощью транскраниальной стимуляции переменным током. Brain Stimul. 12 , 423 (2019).

Артикул Google ученый

39.

Радман, Т., Рамос, Р. Л., Брумберг, Дж. К. и Биксон, М. Роль типа и морфологии кортикальных клеток в подпороговой и надпороговой стимуляции однородного электрического поля in vitro. Brain Stimul. 2 , 215–228.e3 (2009).

Артикул Google ученый

40.

Rawji, V. et al. Изменения возбудимости двигателя tDCS специфичны для ориентации тока. Brain Stimul. 11 , 289–298 (2018).

Артикул Google ученый

41.

Rahman, A. et al. Клеточные эффекты острой стимуляции постоянным током: соматические и синаптические терминальные эффекты. J. Physiol. 591 , 2563–2578 (2013).

CAS Статья Google ученый

42.

Noury, N. & Siegel, M. Фазовые свойства артефактов транскраниальной электростимуляции в электрофизиологических записях. Neuroimage 158 , 406–416 (2017).

Артикул Google ученый

43.

Wu, J.-Y., Huang, Xiaoying & Zhang, Chuan Распространение волн активности в неокортексе: что это такое, что они делают. Неврология 14 , 487–502 (2008).

CAS Статья Google ученый

44.

Эрментроут, Г. Б. и Кляйнфельд, Д. Бегущие электрические волны в коре головного мозга. Нейрон 29 , 33–44 (2001).

CAS Статья Google ученый

45.

Патель, Дж., Фудзисава, С., Береньи, А., Ройер, С. и Бужаки, Г. Путешествие тета-волн вдоль всей семенно-височной оси гиппокампа. Нейрон 75 , 410–417 (2012).

CAS Статья Google ученый

46.

Рубино, Д., Роббинс, К. А. и Хатсопулос, Н. Г. Распространяющиеся волны опосредуют передачу информации в моторной коре. Nat. Neurosci. 9 , 1549–1557 (2006).

CAS Статья Google ученый

47.

Besserve, M., Lowe, S.C., Logothetis, N.K., Schölkopf, B. & Panzeri, S. Сдвиги гамма-фазы через первичные зрительные участки коры отражают динамическую передачу информации, модулируемую стимулами. PLOS Biol. 13 , e1002257 (2015).

Артикул Google ученый

48.

Массимини М., Хубер Р., Феррарелли Ф., Хилл С. и Тонони Г. Медленные колебания сна как бегущая волна. J. Neurosci. 24 , 6862–6870 (2004).

CAS Статья Google ученый

49.

Bahramisharif, A. et al. Распространение неокортикальных гамма-всплесков координируется бегущими альфа-волнами. J. Neurosci. 33 , 18849–18854 (2013).

CAS Статья Google ученый

50.

Lozano-Soldevilla, D. & VanRullen, R. Скрытое пространственное измерение альфа: воспринимаемое эхо 10 Гц распространяется как периодические бегущие волны в человеческом мозгу. Cell Rep. 26 , 374–380.e4 (2019).

CAS Статья Google ученый

51.

Muller, L. et al. Вращающиеся волны во время сна человека веретена организуют глобальные паттерны активности, которые повторяются точно в течение ночи. Элиф 5 , e17267 (2016).

Артикул Google ученый

52.

Huang, Y. et al. Измерения и модели электрических полей в мозге человека in vivo при транскраниальной электростимуляции. Элиф 6 , e18834 (2017).

Артикул Google ученый

53.

Плонси Р. и Хеппнер Д. Б. Рассмотрение квазистационарности в электрофизиологических системах. Bull. Математика. Биофиз. 29 , 657–664 (1967).

CAS Статья Google ученый

54.

Виндхофф М., Опиц А. и Тильшер А. Расчеты электрического поля при стимуляции мозга на основе конечных элементов: оптимизированный конвейер обработки для создания и использования точных индивидуальных моделей головы. Hum. Brain Mapp. 34 , 923–935 (2013).

Артикул Google ученый

55.

Реато, Д., Рахман, А., Биксон, М. и Парра, Л.С. Электростимуляция низкой интенсивности влияет на динамику сети, модулируя скорость популяции и время всплеска. J. Neurosci. 30 , 15067–15079 (2010).

CAS Статья Google ученый

56.

Fröhlich, F. & McCormick, D. A. Эндогенные электрические поля могут направлять активность неокортикальной сети. Нейрон 67 , 129–143 (2010).

Артикул Google ученый

57.

Анастассиу, К. А., Перин, Р., Маркрам, Х. и Кох, К. Эпептическое соединение корковых нейронов. Nat. Neurosci. 14 , 217–223 (2011).

CAS Статья Google ученый

58.

Vöröslakos, M. et al. Прямые эффекты транскраниальной электростимуляции на мозговые цепи у крыс и людей. Nat. Commun. 9 , 483 (2018).

Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

59.

Terzuolo, C. A. & Bullock, T. H. Измерение наложенного градиента напряжения, адекватного для модуляции возбуждения нейронов. Proc. Natl Acad. Sci. 42 , 687–694 (1956).

CAS Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

60.

Опиц А., Паулюс В., Уилл С., Антунес А. и Тильшер А. Детерминанты электрического поля во время транскраниальной стимуляции постоянным током. Neuroimage 109 , 140–150 (2015).

Артикул Google ученый

61.

Миранда, П. К., Меконнен, А., Сальвадор, Р. и Руффини, Г. Электрическое поле в коре головного мозга во время стимуляции транскраниальным током. Neuroimage 70 , 48–58 (2013).

Артикул Google ученый

62.

Laakso, I. et al. Электрические поля моторных и лобных tDCS в стандартном мозговом пространстве: компьютерное моделирование. Neuroimage 137 , 140–151 (2016).

Артикул Google ученый

63.

Oostenveld, R., Fries, P., Maris, E. & Schoffelen, J.-M. FieldTrip: программное обеспечение с открытым исходным кодом для расширенного анализа данных МЭГ, ЭЭГ и инвазивных электрофизиологических данных. Comput. Intell. Neurosci. 2011 , 156869 (2011).

Артикул Google ученый

64.

Дженкинсон, М., Бекманн, К. Ф., Беренс, Т. Э. Дж., Вулрич, М. В. и Смит, С. М. ФСЛ. Neuroimage 62 , 782–790 (2012).

Артикул Google ученый

65.

Фишл, Б. FreeSurfer. Neuroimage 62 , 774–781 (2012).

Артикул Google ученый

66.

Geuzaine, C. & Remacle, J.-F. Gmsh: генератор трехмерных конечно-элементных сеток со встроенными средствами предварительной и последующей обработки. Внутр. J. Numer. Методы англ. 79 , 1309–1331 (2009).

MathSciNet Статья Google ученый

Восприятие человеком электрических полей и ионных токов, связанных с высоковольтными линиями электропередачи постоянного тока

Целью этого исследования было оценить способность людей обнаруживать присутствие постоянного электрического поля и ионных токов.Для этой цели была спроектирована и построена экспозиционная камера, имитирующая условия, существующие вблизи высоковольтных линий постоянного тока (HVDC). В этих экспериментах установка использовалась для воздействия на наблюдателей постоянного электрического поля до 50 кВ / м и плотности ионного тока до 120 нА / м2. Наблюдателями служили 48 добровольцев (25 женщин и 23 мужчины) в возрасте от 18 до 57 лет. Восприятие полей постоянного тока было исследовано с использованием двух психофизических методов: процедуры адаптивной лестницы и рейтингового метода, основанного на теории обнаружения сигналов.Субъекты выполнили три различных серии наблюдений, используя каждый из этих методов; один проводился без ионных токов, а два других использовали различные комбинации электрических полей и ионных токов. В целом, испытуемые были значительно более склонны обнаруживать поля постоянного тока по мере увеличения интенсивности. Наблюдатели смогли обнаружить только наличие полей постоянного тока, но только с высокой интенсивностью; средний порог составлял 45 кВ / м. За исключением наиболее чувствительных людей, плотность ионного тока до 60 нА / м2 не значительно облегчает обнаружение полей постоянного тока.Однако более высокие плотности ионного тока были связаны со значительным снижением сенсорных порогов у подавляющего большинства наблюдателей. Анализ данных также выявил большие различия в порогах восприятия среди наблюдателей. Приведены нормативные данные, указывающие на интенсивности постоянного поля и ионного тока, которые могут быть обнаружены 50% всех наблюдателей. Кроме того, для наиболее чувствительных наблюдателей несколько других пропорций обнаружения были выведены из распределения индивидуальных возможностей обнаружения.Эти данные могут лечь в основу экологических рекомендаций, касающихся проектирования линий постоянного тока высокого напряжения.

Биоэлектричество может быть ключом к борьбе с раком — Quartz

Каждое ваше движение, восприятие и мысль контролируются электричеством.

Если вам это кажется маловероятным, возможно, вы предполагаете, что электричество и человеческое тело несовместимы. Но точно так же, как электрические сигналы лежат в основе коммуникационных сетей мира, мы обнаруживаем, что они делают то же самое в наших телах: биоэлектричество — это то, как наши клетки общаются друг с другом.

Благодаря более чувствительным приборам, более совершенным методам измерения нашего врожденного электричества на клеточном уровне и, как следствие, более глубокому пониманию этих клеточных процессов, теперь мы можем делать гораздо больше для интерпретации, прерывания или перенаправления этих коммуникационных сигналов. Применений бесчисленное множество, но они особенно многообещающие и незамедлительные для исправления тела, когда оно выходит из строя, будь то из-за травмы, врожденных дефектов или рака. Виды исправлений, которые можно получить с помощью биоэлектрических вмешательств, прямо шокируют .

Электроэнергия тела

Биоэлектричество — это не тот вид электричества, который включает свет, когда вы щелкаете выключателем. Этот вид электричества основан на электронах: отрицательно заряженных частицах, текущих в токе. Человеческое тело, включая мозг, работает по совершенно другой версии: движение в основном положительно заряженных ионов таких элементов, как калий, натрий и кальций.

Таким образом все сигналы проходят внутри и между мозгом и каждым органом и агентом восприятия, движения и познания.Это основа нашей способности думать, говорить и ходить. И оказывается, это также играет большую роль в том, как наши клетки сообщают друг другу, что системы, в которых они находятся, здоровы — или нет.

Это не всегда было очевидно. Луи Лангман, например, опередил свое время. Работая в 1920-х годах в Нью-Йорке, он предлагал пациентам своего отделения в гинекологической службе Бельвью необычный метод диагностики рака: два электрода, один помещался во влагалищный канал, а другой — на лобок.Это позволило ему измерить градиент электрического напряжения между шейкой матки и вентральной брюшной стенкой. Если Лангман обнаруживал заметное изменение этого градиента, он предлагал женщине лапаротомию, чтобы проверить, оправданы ли его подозрения.

Техника оказалась на удивление эффективной. Из 102 случаев, в которых колебания показали значительный сдвиг градиента напряжения, в 95 были подтверждены злокачественные новообразования. Точные места расположения рака были разными, но часто их определяли до того, как у женщины появились очевидные симптомы.

Лэнгман и его соавтор, анатом из Йельского университета Гарольд Сакстон Бёрр, входили в небольшую группу ученых, исследующих электрические свойства тканей человека. Они считали, что все живые существа — от мышей до людей и растений — сформированы и контролируются электрическими полями, которые можно измерить и нанести на карту с помощью стандартных вольтметров.

Лэнгман и Берр были правы, но их выводы были плохо изучены до 1949 года, когда Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли обнаружили, как ионы помогают электрическим сигналам проходить через мембраны нервных клеток.Этот прорыв, за который они позже получили Нобелевскую премию, должен был вызвать взрыв исследований, в том числе поисков ионной связи за пределами нервной системы.

Вскоре мы проанализируем электрические свойства тела так же, как мы описали его генетическую основу, то есть завершим человеческий «электромеханизм».

Но как только Ходжкин и Хаксли открыли этот механизм, его затмил другой прорыв: в 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик объявили, что они открыли структуру двойной спирали ДНК.Вся дисциплина биологии быстро реорганизовалась вокруг генов. Биоэлектричество было отнесено к нише в нейробиологии.

Не помогло то, что не было возможности изучать потоки ионов во многих других типах клеток тела, не убивая их, тем самым подавляя сами изучаемые процессы. Так продолжалось до 1976 года, когда Эрвин Неер и Берт Сакманн разработали инструмент для этого — позволяющий ученым наблюдать, как отдельные ионы дрейфуют в нейроны и выходят из них.Они использовали свою технику «патч-зажим», чтобы обнаружить каналы, которые позволяют ионам проникать через клеточные мембраны.

Под кожей

Охота на биоэлектрическую коммуникацию продолжалась, и генетика превратилась из заклятого врага биоэлектричества в его лучшего друга. Теперь ученые могли клонировать клетки с определенными ионными каналами и без них и посмотреть, что происходит. Это быстро привело к переоткрытию биоэлектрической передачи сигналов во многих типах клеток за пределами нервной системы.

Одним из первых были клетки кожи, которые при травмах генерируют электрическое поле.Вы можете сами почувствовать это так называемое течение травмы: сильно прикусить щеку, а затем приложить к ней язык. Вы почувствуете покалывание. Это вы чувствуете напряжение. Ток из раны обращается к окружающей ткани, привлекая помощников, таких как заживляющие агенты, макрофаги, которые убирают беспорядок, и восстанавливающие клетки коллагена, называемые фибробластами.

Но этот ток было сложно измерить всего несколько лет назад — хрупкие, сверхчувствительные устройства, которые были способны идентифицировать ионы, входящие и выходящие из клеток, не могли быть нарушены и не работали в сухой среде. как кожа.Но в 2012 году Ричард Нуччителли создал неинвазивное устройство, которое могло воздействовать на кожу, позволяя тщательно контролировать токи травм человека. Он обнаружил, что он достигает пика при травме, ослабевает по мере заживления раны и возвращается к неопределяемому, когда заживление завершено.

Но что интересно, он также обнаружил, что люди, у которых ток травм был слабым, заживали медленнее, чем люди, у которых течение травм было «сильнее». Еще интереснее: сила тока в ране снижается с возрастом, излучая сигнал, который вдвое слабее у людей старше 65 лет, чем у людей младше 25 лет.

Это привело к всплеску интереса к использованию естественного электричества нашего тела для ускорения или улучшения заживления ран. Энн Райничек из Университета Абердина обнаружила, что если она использовала препараты, блокирующие каналы, для подавления ионов натрия и, таким образом, прерывания электрических сигналов, посылаемых током раны у крыс, их раны заживали дольше.

Может ли быть наоборот? Может ли усиление естественного электрического поля кожи сократить время заживления или даже способствовать заживлению ран, которые вообще не поддаются заживлению?

Недавние испытания показывают, что да.Возможно, самые мучительные виды ран — это сильные пролежни, на заживление которых могут уйти месяцы или годы (если они вообще заживают) и поражение тканей, мышц и костей глубоко под кожей. Два недавних метаанализа пришли к выводу, что усиление естественного тока в ране с помощью электрической стимуляции предотвратило их ухудшение и даже полностью вылечило некоторые из худших. Электростимуляция почти вдвое увеличивает их исцеление. Аналогичные интригующие результаты были получены в отношении незаживающих диабетических ран — тех, которые приводят к ампутации конечностей, которая обычно в течение нескольких лет приводит к смерти.

Эффект не ограничивается кожей. Растущее количество данных за последние несколько десятилетий предполагает, что тот же вид электростимуляции может ускорить заживление переломов костей, что может иметь значение для лечения или даже предотвращения остеопороза. Появляется все больше свидетельств того, что одни и те же клеточные электрические механизмы можно использовать для лечения травм позвоночника.

Будущее биоэлектричества

Так почему же не каждый хирург применяет электрическую стимуляцию к каждой ране?

Недавнее исследование показало, что идея об электричестве, имеющем отношение к биологии, все еще слишком нова и противоречит здравому смыслу для широкого распространения.И даже когда клиницисты слышали об этом, они не знали, как его использовать: ни в одном из существующих руководств не указывается ни тип тока (постоянный? Переменный?), Ни параметры (как долго его следует применять? Насколько сильным он должен быть? ). Даже инструменты не стандартизированы. Неудивительно, что при отсутствии четких рекомендаций терапевты предпочитают прибегать к антибиотикам, а не брать на себя ответственность за этот пугающий набор возможностей.

Кроме того, во многих клинических испытаниях исследователи жалуются, что комплект с его электродами и источниками питания слишком громоздкий, ограничивает естественное движение и мешает пациенту соблюдать режим лечения.Но это может не быть проблемой надолго. Многие лаборатории и частные компании сейчас работают над биоэлектрическими повязками для ран — полиэфирными или другими субстратами, пропитанными серебром и другими биологически активными веществами, которые активируются «жидкостью раны» и усиливают естественный ток раны. Будущие версии могут нести более мощный заряд.

В конце прошлого года совместная американо-китайская группа из Университета Висконсина и Университета Хуачжун разработала носимый наногенератор, который можно было вставить в конструкцию повязки, чтобы генерировать увеличивающееся электрическое поле от повседневных движений пользователя.Крысам, которые носили эту повязку, требовалось в среднем три дня, чтобы зажить; те, которые не принимали 12.

Возможно, даже удастся усилить ток в ране без электростимуляции. Это важно при травмах, при которых нет необходимости накладывать электричество или повязку, например при травмах глаз. Мин Чжао из Калифорнийского университета в Дэвисе показал, что разрывы в роговице заживают быстрее, если манипулировать определенными ионными каналами с помощью простых глазных капель для увеличения силы тока в ране — биоэлектричество без электричества.

Связь между раком и электричеством

Если удастся завоевать сердца и умы врачей, заживление ран, вероятно, будет самым непосредственным клиническим применением биоэлектрических исследований. Но то, что мы можем ожидать в следующие 10 лет, — это большая ясность в отношении того, как отдельные клетки используют электрическую связь, чтобы сотрудничать на службе тела в целом.

Рак все чаще рассматривается как нарушение коммуникации.

Раком называют неизлечимую рану.Есть много общего. Например, новые кровеносные сосуды образуются как по мере заживления ран, так и по мере того, как клетки становятся злокачественными, и в обоих случаях происходят изменения электрических сигналов. Разница в том, что при раке сигналы никогда не прекращаются.

Как подозревали Лангман и Берр в 1920-х годах, рак можно обнаружить по нарушению широко распространенных биоэлектрических свойств организма — нарушений, обнаруживаемых в местах, удаленных от самой опухоли. Бёрр показал, что если вы имплантируете опухоль животному, электрические сигналы его тела почти сразу же выйдут из строя.

Рак все чаще рассматривается как нарушение коммуникации; неправильное регулирование поля информации, которое управляет деятельностью отдельных клеток, направленной на функционирование как часть нормальной живой системы. Отдельные клетки «забывают», что они являются частью большего целого, и относятся к остальному телу как к среде, ресурсы которой можно использовать, чтобы прокормить себя.

Это большой отход от общепринятой точки зрения, которая десятилетиями считала, что здоровую клетку превращают в раковую просто накопление генетических повреждений.История гласила, что мутации приводят к неограниченному распространению.

Но что, если в этой истории есть нечто большее? Майкл Левин из Университета Тафтса был одним из первых, кто задался вопросом, имеет ли неспособность клетки нормально взаимодействовать с сетями формирования паттернов тела также отношение к поведению рака.

Доказательств в этом отношении растет. Электрические поля, создаваемые ионами, накачивающими кожу или ткань органа, посылают клеткам сигналы о начале миграции, что также имеет решающее значение для распространения рака по телу.Мустафа Джамгоз из Имперского колледжа Лондона исследовал роль определенного типа натриевых каналов в развитии рака груди и простаты. Они размножаются в раковых клетках, делая их более электрически активными, чем могут управлять обычные механизмы контроля организма. Затем такие клетки проникают в другие ткани и метастазируют.

Биоэлектрические сигналы связаны не только с метастазами. Фрэнки Роусон из Ноттингемского университета обнаружил, что при раке важен другой вид биологически генерируемого тока, позволяющий перепрограммировать энергию — еще один ключевой аспект рака.

Можно ли обратить вспять рак, контролируя биоэлектрические переговоры между клетками? В 2013 году группа Левина показала, что они могут предотвратить или обратить вспять развитие некоторых опухолей у головастиков с помощью лекарств, направленных на передачу их биоэлектрических сигналов. Те же лекарства могут включать и выключать рак на расстоянии, воздействуя на окружающую среду, а не на сами клетки. В 2016 году они восстановили нормальную биоэлектрическую передачу сигналов у головастиков лягушек с опухолями. Они росли, распространились и сформировали собственное кровоснабжение, пока Левин не добавил новые, активируемые светом ионные каналы с помощью генной терапии.Это заставило клетки перестать бесконтрольно делиться — фактически, они вернулись в здоровое состояние после того, как опухоли уже сформировались. Клетки внутри них просто перестали быть раковыми.

Этот подход был бы проблематичным для людей, поскольку генная терапия остается экспериментальной, но Левин работает над повторением своих результатов с лекарствами, одобренными для лечения других заболеваний.

Заживление ран больше похоже на регенерацию, которой славятся саламандры.

Ремонт сломанной биоэлектрической системы связи может дать еще более впечатляющие результаты.Левин стремился обратить вспять катастрофические деформации головастиков, которые были подвергнуты эквиваленту тяжелого курения или употребления алкоголя во время беременности человека — и то, и другое вызывает эмбриональные дефекты, вмешиваясь в биоэлектрические сигналы, посылаемые развивающимися клетками плода. После однократной двухдневной ванны с широко доступным лекарством для ионных каналов головастики перестроились и выросли как обычно. Подразумевается, что такие расстройства, как алкогольный синдром плода и другие врожденные дефекты, в конечном итоге могут быть обратимы у людей.

Более широкое значение по-прежнему заключается в том, что в течение следующего десятилетия мы сможем узнать достаточно о биоэлектричестве, чтобы изменить то, как клеточные сети общаются и принимают решения о том, как они растут и развиваются. Важным фактором здесь будут новые инструменты вычислительного моделирования. Исследователи, включая Левина, теперь используют их, чтобы точно сказать им, какие каналы необходимо настроить, чтобы произвести желаемые изменения в более крупных электрических цепях (и, следовательно, физические изменения).

В конечном счете, заживление ран больше похоже на вид регенерации, которым славятся саламандры — и действительно, Левин продемонстрировал в нескольких экспериментах, что конечности и хвосты могут быть восстановлены с помощью биоэлектрической настройки даже у таких видов, как лягушки, которые от природы не предрасположены к Это.Это открывает перспективу будущих методов лечения, которые включают простое удаление пораженной части тела и ее повторное выращивание.

Переключение переключателя

Очевидно, что существует множество препятствий, которые необходимо преодолеть, прежде чем мы начнем обращать внимание на рак, отрубать конечности или вырезать жизненно важные органы и выращивать новые. Испытания на людях будет сложно провести, а клетка — это дьявольски сложная среда с множеством переменных, которые нужно отслеживать: эксперименты по манипулированию биоэлектрическим полем показали, что есть еще много пробелов, которые необходимо заполнить.

Тем не менее, мы продолжаем узнавать все больше о том, насколько задействованы и связаны наши сотовые сети связи во всех ячейках и между ними. В прошлом году Джамгоз обнаружил, что подавление определенных натриевых каналов лекарством может остановить метастазирование у крыс с раком простаты. Он уже подал патент на использование блокаторов потенциал-управляемых натриевых каналов в качестве антиметастатических препаратов.

То, что стало ясно только в последнее десятилетие, — это возможность подключиться к общению, усилить его и прервать.В следующем десятилетии мы сможем добиться быстрого прогресса, если сможем осознать идею о том, что наши тела по крайней мере столь же электрические, как и химические или механические. Отчасти речь идет о выходе за рамки простого понимания того, какие эффекты биоэлектрические сигналы имеют, к пониманию того, что они на самом деле означают. Вычислительные модели, которые предполагают, какие настройки ионных каналов соответствуют каким физическим изменениям, станут только более точными по мере того, как вычисления станут более мощными. И исследователи начинают устранять пробелы между дисциплинами — биофизикой, инженерией или молекулярной биологией, — которые долгое время препятствовали прогрессу в этой области.

В течение 10 или 20 лет мечта состоит в том, чтобы использовать эти открытия для профилирования электрических свойств биологических тканей таким же образом, как мы профилировали их генетическую основу, то есть завершить человеческий «электромеханический», а затем использовать его. биоэлектрический код человека.

После почти столетия забвения и застоя наука о биоэлектричестве наконец достигла переломного момента: мы готовы взломать биоэлектрический код сейчас.

Это эссе было адаптировано по материалам финалиста Nesta’s Tipping Point Prize.Прочтите все очерки здесь.

Напряжение и напряженность поля — Часть 2: Проводники

Доцент Нилс Йонассен разработал статическую колонку, которая выходит раз в два месяца в журнале Compliance Engineering Magazine. В сериале исследуются зарядка, ионизация, взрывы и другие темы, связанные с электростатическим разрядом. Ассоциация ESD в сотрудничестве с журналом In Compliance Magazine переиздает эту серию, поскольку статьи предлагают непреходящий взгляд на область электростатики.

Профессор Йонассен был членом Ассоциации ОУР с 1983 по 2006 год.Он получил премию Ассоциации ESD за выдающийся вклад в 1989 году и был автором технических статей, книг и технических отчетов. Его помнят за его вклад в понимание электростатического контроля, и в его памяти мы повторяем «Mr. Статический ».

~ Ассоциация ESD

Перепечатано с разрешения: Compliance Engineering Magazine , Mr. Static Column Copyright © UBM Cannon

---

Экранирование бесконтактных счетчиков часто снижает искажения поля, вызванные наличием счетчиков.

Любой, кто работал со статическим или динамическим электричеством, знаком с понятием напряжения. В конце концов, закон Ома гласит, что В = R ∙ I , напряжение (разность) равно сопротивлению, умноженному на ток. Но это хорошо известное соотношение ничего не говорит о напряжении; скорее, он определяет сопротивление и не может быть применен к проблемам электростатического разряда из-за отсутствия тока. Затем существует определение разницы напряжений между точками A и B как работа, выполняемая на единицу заряда, когда заряд переносится от A к B.Но здесь возникает метрологическая проблема, потому что нет возможности измерить работу, выполняемую за плату. Итак, мы должны вернуться к основам и понять, что напряжение не является фундаментальной величиной, а скорее свойством электрического поля.

Рисунок 1: Однородное поле с напряженностью поля E.

На рисунке 1 показано сечение однородного поля с напряженностью поля E, где разность напряжений между точками A и B определяется как

.

Уравнение 1

Рисунок 2: Поле между положительно заряженным изолятором и заземленным проводником.

Однако в большинстве случаев поля неоднородны. На рис. 2 показано поле от положительно заряженного изолятора с заземленным проводником, помещенным перед изолятором. В этом случае разница напряжений между A и B определяется как

.

Уравнение 2

Уравнения 1 и 2 определяют только разницу напряжений. Напряжение точки P в поле определяется как интеграл поля от P до бесконечности или до любого заземленного объекта, то есть

Уравнение 3

Напряжение проводника

На рисунке 3 показан изолированный проводник A с зарядом q .

Рисунок 3: Изолированный провод A с зарядом q, помещенный на землю.

Заряд автоматически распределяется по поверхности проводника таким образом, что (а) поле внутри проводника равно нулю, (б) поле перпендикулярно поверхности, и (в) интеграл от Напряженность поля от любой точки P в проводе или на проводе до точки заземления G постоянна:

Уравнение 4

В — напряжение или потенциал проводника.Напряжение V и заряд q пропорциональны, и это обычно записывается как

Уравнение 5

C — это емкость изолированного проводника, которая определяется размером и формой проводника и его расположением относительно других проводников и земли.

Заряженная система накапливает электростатическую энергию от

.

Уравнение 6

, который может рассеиваться за один импульс разряда или тока.

Измерение напряжения проводника

Вольтметры прямого контакта

Напряжение изолированного проводника можно измерить напрямую, подключив провод к электрометру или статическому вольтметру (см. Рисунок 4).Вольтметр измеряет общее напряжение проводника и вольтметра. Если емкость C проводника намного больше, чем емкость C _i вольтметра, напряжение, считываемое вольтметром, с хорошим приближением равно напряжению проводника без присоединенного измерителя.

Рисунок 4: Прямое измерение напряжения.

Однако диапазон измерения большинства статических вольтметров составляет порядка десятков или, в лучшем случае, сотен вольт.С другой стороны, статические напряжения часто находятся в диапазоне киловольт.

Эту проблему можно обойти, используя емкостной делитель напряжения. На рисунке 5 конденсатор емкостью C, _y вставлен в соединение между проводником и статическим вольтметром.

Рисунок 5: Емкостной делитель напряжения.

Если напряжение, показанное на вольтметре, составляет В _i , то напряжение В проводника равно

Уравнение 7

В качестве примера предположим, что максимальное напряжение, считываемое на измерителе, составляет В _{i, max} = 10 В, C _i = 10 нФ = 10 ^–8 F и C _y = 10 пФ = 10 ^–11 F, тогда уравнение 7 даст максимальное напряжение

Уравнение 8

Необходимая высокая емкость в этом применении измерителя обычно достигается запуском измерителя в режиме измерения заряда.Оказалось, что использование емкостного делителя напряжения расширило диапазон измерения вольтметра в 1000 раз.

Бесконтактные измерения

Бесконтактные электростатические измерения всегда основаны на влиянии полей зарядов, независимо от того, расположены ли они на проводниках или изоляторах. В основном есть два типа приборов: измерители поля, которые измеряют заряд, наведенный на зонд, и преобразуют его в напряженность поля перед зондом, и бесконтактные вольтметры, которые повышают напряжение зонда до тех пор, пока поле перед зондом не станет равным. зонд равен нулю.Бесконтактный вольтметр затем принимает это напряжение как
напряжение объекта, на который он направлен.

Бесконтактные вольтметры могут иметь большую чувствительность (но не обязательно большую точность), чем измерители поля. Однако оба типа инструментов могут значительно исказить исходное поле, если измерители не имеют подходящего экрана.

На рисунке 6 показан заряженный изолированный провод. На рисунке бесконтактный вольтметр считывает напряжение V проводника и оценивает среднюю напряженность поля E = V / d между проводником и измерителем, тогда как измеритель поля считывает напряженность поля E перед измерителем. и оценивает напряжение В = E ∙ d проводника.Однако следует подчеркнуть, что считываемые и рассчитанные количества относятся к условиям, которые существуют, когда инструменты находятся на месте.

Рисунок 6: Бесконтактные измерения.

Проводник при фиксированном напряжении

Эксперимент, показанный на рисунке 7, был проведен для исследования влияния измерителей на поле и напряжение заряженного проводника. Металлическая пластина размером 35 ∙ 35 см подключалась к источнику постоянного напряжения 3 кВ.Измеритель поля помещали перпендикулярно пластине, указывая на центр пластины, и измеряли напряженность поля E как функцию расстояния d между пластиной и измерителем поля. Для каждого расстояния d было вычислено произведение E ∙ d .

Рисунок 7: Неэкранированный измеритель поля.

Результаты измерений показаны на рисунке 8. Похоже, что напряженность поля E уменьшалась с увеличением расстояния d , как и ожидалось.Однако, если напряжение В пластины рассчитывается по уравнению 1 как В = E ∙ d , результатом будет очень плохое приближение к истинному значению (3 кВ) напряжения пластины.

Рисунок 8: Результаты измерений неэкранированного измерителя поля.

Причина этого в том, что уравнение 1 предполагает, что поле является однородным, как показано на рисунке 1. Но установка на рисунке 7 гораздо больше похожа на ситуацию на рисунке 2, потому что корпус измерителя поля (или, если на то пошло, корпус бесконтактного вольтметра) по существу находится под потенциалом земли.Напряженность поля, считываемая на измерителе поля (или скомпенсированная в бесконтактном вольтметре), поэтому выше, чем средняя напряженность поля между измерителем и целью, и поэтому аппроксимация напряжения E ∙ d будет слишком высокой. На рисунке 8 показано, что в диапазоне расстояний от 4 до 30 см расчетное напряжение E ∙ d изменяется от 4,5 до 6,2 кВ, а не истинное значение 3 кВ.

Проблема искажения поля приборами может быть частично решена путем окружения измерителя заземленным экраном, расположенным параллельно лицевой стороне цели, как показано на Рисунке 9.Экспериментальная установка имела экран размером 25 ∙ 25 см и металлическую пластину размером 35 ∙ 35 см в качестве мишени.

Рисунок 9: Экранированный измеритель поля.

На рисунке 10 показаны напряженность поля E и кажущееся напряжение E ∙ d как функция расстояния d . Результаты показывают, что с присоединенным экраном напряжение В металлической пластины адекватно определяется произведением E ∙ d на расстоянии примерно 15 см между пластиной и измерителем поля.В этом диапазоне поле однородно и обратно пропорционально расстоянию до измерителя поля, то есть кривая электрического поля представляет собой гиперболу. На больших расстояниях поле снова становится неоднородным, и в этом диапазоне измеритель поля занижает напряжение.

Рисунок 10: Результаты измерений экранированного измерителя поля.

Расстояние, на котором напряжение может быть определено с разумной точностью, также зависит от размера цели. Если измерения на Рисунке 10 повторить с пластиной 15 ∙ 15 см, показания дадут надежные результаты только на расстоянии приблизительно 6–7 см.

Проводник с постоянным зарядом

В ранее описанных случаях целевой проводник был заблокирован от источника напряжения. Таким образом, напряжение на проводе будет оставаться постоянным, независимо от размещения измерителя поля. С другой стороны, заряд может изменяться в зависимости от внутренней емкости проводника и измерителя поля, то есть на расстоянии d .

Предыдущие случаи не представляют собой обычную повседневную ситуацию, когда проводник был заряжен, а напряжение измерялось путем наведения измерителя на провод.В этом более распространенном случае заряд остается постоянным, в то время как напряжение может изменяться из-за связи с емкостью измерителя. На рисунке 11 показана экспериментальная установка для исследования этой ситуации. В эксперименте металлическая пластина размером 35 ∙ 35 см заряжалась до начального напряжения 3 кВ (при отсутствии измерителя поля), а затем разрывалось соединение с источником напряжения. Затем измеритель поля был помещен на различных расстояниях d от металлической пластины, и была измерена напряженность поля E .

Рисунок 11: Измерение проводника с постоянным зарядом.

На рисунке 12 показано произведение E ∙ d (кажущееся напряжение) как функция от d для емкости пластин C 20 пФ (одна пластина) и C 220 пФ (пластина и дополнительный внешний конденсатор). Большая емкость пластины 220 пФ дает кривую, очень похожую на кривую, приведенную на рисунке 10, где металлическая пластина была заблокирована при 3 кВ. Это означает, что наличие измерителя поля существенно не меняет общую емкость и, следовательно, напряжение на пластине на заданном расстоянии.Меньшая емкость пластины, равная 20 пФ, привела к тому, что расчетное напряжение на всех расстояниях ниже, чем обнаруженное с пластиной большей емкости. Это связано с добавлением емкости измерителя. На очень коротком расстоянии измерения наличие измерителя увеличивает исходное значение емкости с 20 до примерно 45 пФ, что приводит к падению напряжения с 3 до примерно 1,3 кВ.

Измерения, представленные на Рисунке 12, были повторены с неэкранированным измерителем поля.Общая тенденция была такой же, как показано на рисунке 8. На всех расстояниях (и при обеих проверенных емкостях) неэкранированные измерители поля завышали истинные значения напряжения на пластине до 100%.

Рисунок 12: Результаты измерений неэкранированного измерителя поля.

Статические локаторы

Вероятно, наиболее распространенный способ выполнить быстрое статическое обследование — это навести портативный измеритель на подозрительный объект и произнести напряжение. Часто это единственное произведенное измерение.И очень часто этого бывает недостаточно.

Эти портативные измерители известны как статические локаторы, и их часто даже называют. И это именно то, чем они являются — инструменты для определения статического электрического поля. Пока это единственное, для чего они используются, все в порядке. Но часто их использование доводится до абсурда.

На рис. 7 показано типичное использование измерителя поля в качестве статического локатора. Диапазоны измерителя могут быть в вольтах, но измеритель не является вольтметром.Он не реагирует на напряжение, а скорее на электрическое поле. Часто это обычный измеритель поля, например, полевой мельница, или он может просто содержать операционный усилитель, который реагирует на заряд, наведенный на пластине датчика в передней части корпуса измерителя.

Счетчик также имеет предусмотренное расстояние измерения. В показанном случае это d . Это означает, что измеритель был откалиброван путем размещения его на расстоянии d от металлической пластины и параллельно ей, которая затем была поднята до определенного диапазона напряжений, и была нарисована соответствующая шкала.

Итак, вопрос в том, для чего можно использовать счетчик после калибровки? Ответ очень прост: измеритель может использоваться для измерения электрического поля на расстоянии d от металлической пластины с такими же размерами и той же емкостью, что и тот, который использовался для заводской калибровки. Для проводников полученное значение приблизительно эквивалентно поверхностному напряжению. На любом другом расстоянии или при измерении изоляторов измерение не калибруется, и прибор просто обнаружил электрическое поле.

Проблема в том, что производители, похоже, очень неохотно упоминают об этом или просто описывают, каковы были условия калибровки и что происходит, если прибор используется в других, и, возможно, даже более повседневных условиях. Очень редко, если вообще случается, размеры калибровочной пластины, не говоря уже о ее емкости, указываются в руководстве. Также нет никакого предупреждения о том, что если бы измеритель был направлен на изолятор, показания в вольтах никогда не относились бы к изолятору в целом.Как упоминалось в части I этой статьи, на изоляторе нет напряжения. Если пользователю повезет, можно обнаружить некое поверхностное напряжение. ¹

Непонятно, почему статические локаторы всегда калибруются в вольтах. В конце концов, это обычные измерители поля, которые прикидываются вольтметрами, но на самом деле таковыми не являются. Все, что они могут сделать, это измерить напряжение определенной металлической пластины на определенном расстоянии. Если бы эти измерители были откалиброваны в единицах напряженности поля, то есть В ∙ м ^–1 , их можно было бы гораздо лучше использовать для оценки статического состояния изоляторов, а также проводов.

Но может ли объяснение просто в том, что большинство людей понимают напряжение лучше, чем напряженность поля? Нет, это не кажется возможным. Достаточно взглянуть на уравнения 1, 2 и 3 этой статьи. Напряжение всегда определяется напряженностью поля (и расстоянием), поэтому, если кто-то не понимает одного, этот человек не поймет другого.

Заключение

В статье проанализированы проблемы, связанные с измерением напряжения заряженного изолированного проводника.Основное внимание уделялось бесконтактным измерениям, т. Е. Измерениям, основанным на влиянии поля от заряда. Было продемонстрировано, что используемые инструменты часто искажают поля и, следовательно, изменяют измеряемые свойства. Также было показано, что, экранируя измерители, часто можно значительно уменьшить искажения поля.

Номер ссылки

1. Нильс Йонассен, «Поверхностное напряжение и напряженность поля: Часть I, Изоляторы» в Mr.Статический, Compliance Engineering 18, no. 7 (2001): 26–33 и In Compliance Magazine , август 2012 г.

Нильс Йонассен, магистр, доктор наук 40 лет проработал в Техническом университете Дании, где проводил занятия по электромагнетизму, статическому и атмосферному электричеству, радиоактивности в воздухе и климату в помещениях. Выйдя на пенсию, он разделил свое время между лабораторией, своим домом и Таиландом, писал на темы статического электричества и посещал кулинарные курсы.Г-н Йонассен скончался в 2006 году.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

---

Что сохраняется в файле cookie?

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

Как правило, в файле 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.

Электрический потенциал

	Электрический потенциал
	Возможно, вы заметили, что слово «напряжение» время от времени всплывает…. Что это значит? Вопрос: Как птица (такая как эта синяя птица) может стоять на линии высокого напряжения, не попадая под удар? Ответ: Потому что нет разницы в напряжении на ногах! Положительная пластина (V + ) Отрицательная пластина (V — ) Более подходящий термин для обозначения напряжения — «разность электрических потенциалов». Точнее: Разность электрических потенциалов — это разность потенциальной энергии на единицу заряда. Где U — потенциальная энергия. Помните, как определяется потенциальная энергия: Поскольку E и d s обычно имеют противоположные направления, интеграл отрицательный, и в этом случае разность электрических потенциалов между двумя пластинами положительна. В данном случае… Обычно считается, что отрицательный вывод (земля) имеет нулевой потенциал (V b = 0)
	В этом случае мы скажем, что В = (qd / eo) А на положительной пластине и В = ноль на отрицательной пластине. Вопрос : вместо того, чтобы знать q, что, если мы просто знаем, что разность потенциалов между пластинами составляет 10 вольт. Какова напряженность электрического поля, если расстояние между пластинами составляет 1 см? A : V = Ed в данном случае, поэтому E = 10 вольт / см = 1000 N / C Вопрос : Сколько работы потребуется, чтобы протолкнуть заряд в один кулон с отрицательной пластины на положительную? A : ну напряжение — это работа / заряд, так что потребуется 10 джоулей / кулон x 1 кулон равен 10 джоулям! Вопрос : Если батарея на 10 В «проталкивает» 5 ампер тока через схему, сколько мощности она «передает» в схему? A : Напряжение равно Работа / кулон, а ток 5 кулонов / сек, тесто дает 10 джоулей / кулон x 5 кулонов / с = 50 джоулей / с = 50 Вт… в ​​основном, мощность = напряжение x ток. Связь между V и E …… .с
			Если электрическое поле постоянно в небольшой области Dx, то E = -DV / Dx И направление «под гору», как градиент на топографической карте. Какова напряженность электрического поля между зарядами, показанными выше? Также обратите внимание, что напряжение — это скалярная величина…. в расчетах нет векторов … например, вспомните заряды из предыдущей лекции об электрическом поле. Где в таком случае нулевой электрический потенциал? Ответ: напряжение равно нулю в точке (а).и (c) ..
	Посмотрите эту лекцию Калифорнийского университета в Дэвисе об электрическом потенциале….		http://maxwell.ucdavis.edu/~electro/potential/overview.html

.