Открытая Физика. Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его. Это связано с тем, что вещество состоит из заряженных частиц. В отсутствие внешнего поля частицы распределяются внутри вещества так, что создаваемое ими электрическое поле в среднем по объемам, включающим большое число атомов или молекул, равно нулю. При наличии внешнего поля происходит перераспределение заряженных частиц, и в веществе возникает собственное электрическое поле. Полное электрическое поле E→ складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля E→0 и внутреннего поля E→’, создаваемого заряженными частицами вещества.

Вещество многообразно по своим электрическим свойствам. Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов (электронов), которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы.

В отсутствие внешнего поля в любом элементе объема проводника отрицательный свободный заряд компенсируется положительным зарядом ионной решетки. В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды (рис. 1.5.1). Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.

Индукционные заряды создают свое собственное поле E→’, которое компенсирует внешнее поле E→0 во всем объеме проводника: E→=E→0+E→’=0 (внутри проводника).

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Электростатическая индукция

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными. Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю. На этом основана электростатическая защита – чувствительные к электрическому полю приборы для исключения влияния поля помещают в металлические ящики (рис. 1.5.2).

Электростатическая защита. Поле в металлической полости равно нулю

Так как поверхность проводника является эквипотенциальной, силовые линии у поверхности должны быть перпендикулярны к ней.

В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.

При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле E→0 в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные нескомпенсированные

связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.

Связанные заряды создают электрическое поле E→’, которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E→0 внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E→=E→0+E→’ внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поля E→0.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E→0 внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности E→ полного поля в однородном диэлектрике, называется

диэлектрической проницаемостью вещества. ε=E0E.

Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.

Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.

Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H₂S, NO₂ и т. д.).

При отсутствии внешнего электрического поля оси молекулярных диполей из-за теплового движения ориентированы хаотично, так что на поверхности диэлектрика и в любом элементе объема электрический заряд в среднем равен нулю.

При внесении диэлектрика во внешнее поле E→0 возникает частичная ориентация молекулярных диполей. В результате на поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные макроскопические связанные заряды, создающие поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0 (рис. 1.5.3).

Ориентационный механизм поляризации полярного диэлектрика

Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков, молекулы которых не обладают в отсутствие внешнего поля дипольным моментом. Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора E→0, а отрицательные – в противоположном направлении. В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля. На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле E→’, направленное навстречу внешнему полю E→0. Так происходит поляризация неполярного диэлектрика (рис. 1.5.4).

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры. Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH

4. У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C^4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H⁺. При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Поляризация неполярного диэлектрика

Электрическое поле E→’ связанных зарядов, возникающее при поляризации полярных и неполярных диэлектриков, изменяется по модулю прямо пропорционально модулю внешнего поля E→0. В очень сильных электрических полях эта закономерность может нарушаться, и тогда проявляются различные нелинейные эффекты. В случае полярных диэлектриков в сильных полях может наблюдаться эффект насыщения, когда все молекулярные диполи выстраиваются вдоль силовых линий. В случае неполярных диэлектриков сильное внешнее поле, сравнимое по модулю с внутриатомным полем, может существенно деформировать атомы или молекулы вещества и изменить их электрические свойства. Однако, эти явления практически никогда не наблюдаются, так как для этого нужны поля с напряженностью порядка

10¹⁰–10¹² В/м. Между тем, гораздо раньше наступает электрический пробой диэлектрика.

У многих неполярных молекул при поляризации деформируются электронные оболочки, поэтому этот механизм получил название электронной поляризации. Этот механизм является универсальным, поскольку деформация электронных оболочек под действием внешнего поля происходит в атомах, молекулах и ионах любого диэлектрика.

В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды. Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na

+ и Cl^– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга. В отсутствие внешнего поля каждая элементарная ячейка кристалла NaCl (см. Часть I § 3.6 ) электронейтральна и не обладает дипольным моментом. Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

При поляризации неоднородного диэлектрика связанные заряды могут возникать не только на поверхностях, но и в объеме диэлектрика. В этом случае электрическое поле E→’ связанных зарядов и полное поле E→ могут иметь сложную структуру, зависящую от геометрии диэлектрика. Утверждение о том, что электрическое поле E→ в диэлектрике в ε раз меньше по модулю по сравнению с внешним полем E→0 строго справедливо только в случае однородного диэлектрика, заполняющего все пространство, в котором создано внешнее поле. В частности:

Если в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε находится точечный заряд Q, то напряженность поля E→, создаваемого этим зарядом в некоторой точке, и потенциал φ в ε раз меньше, чем в вакууме: E→=14πε0ċQεr3r→,        φ=14πε0Qεr.

Смотрите также: Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: библиотека ЭОРов и образовательный онлайн-сервис с тысячами интерактивных работ «Облако знаний».

Проводники в электростатическом поле — Класс!ная физика

Подробности

Просмотров: 513

«Физика — 10 класс»

Изменится ли электрическое поле, если внести в него заряженный шарик? незаряженный шарик?

В металлах носителями свободных зарядов являются электроны.
При образовании кристаллической решётки металла электроны внешних оболочек атомов полностью утрачивают связи со своими атомами и становятся «собственностью» всего проводника в целом.
В результате образовавшиеся положительно заряженные ионы оказываются окружёнными отрицательно заряженным «газом», образованным коллективизированными электронами.

Свободные электроны участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по металлу в любом направлении.

Заряженные частицы, способные свободно перемещаться в проводнике под влиянием электрического поля, называются свободными зарядами.

Электростатическое поле внутри проводника.

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

Утверждение об отсутствии электростатического поля внутри проводника справедливо как для заряженного проводника, так и для незаряженного, помещённого во внешнее электростатическое поле.

На примере незаряженной проводящей пластины (проводника), внесённой в однородное поле, выясним, в результате какого процесса напряжённость электростатического поля внутри проводника оказывается равной нулю (рис. 14.21).
Силовые линии поля изображены сплошными линиями.

В первый момент (при внесении пластины в поле) возникает электрический ток.
Под действием электрического поля электроны пластины начинают перемещаться справа налево.
Левая сторона пластины заряжается отрицательно, а правая — положительно (см. рис. 14.21).

В этом состоит явление электростатической индукции. (Если, не убирая пластину из поля, разделить её пополам вдоль линии NN (см. рис. 14.21), то обе половины окажутся заряженными.)

Явление разделения зарядов и их распределение по поверхности проводника во внешнем электрическом поле называют электростатической индукцией.

Электростатического поля внутри проводника нет.
На этом факте основана электростатическая защита.
Чтобы защитить чувствительные к электрическому полю приборы, их помещают в металлические ящики.

Появившиеся заряды создают своё поле (линии напряжённости этого поля показаны на рисунке 14.21 штриховыми прямыми), которое накладывается на внешнее поле и компенсирует его.
За ничтожно малое время заряды перераспределяются так, что напряжённость результирующего поля внутри пластины становится равной нулю и движение зарядов прекращается.

Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности.

Докажем это.
Предположим, что какая-то силовая линия не перпендикулярна поверхности проводника (рис. 14.22).
Это означает, что касательная составляющая вектора напряжённости электрического поля не равна нулю.

Следовательно, на свободные заряды действует сила, перемещающая их по поверхности проводника.
Это перемещение будет происходить до тех пор, пока все силовые линии не станут перпендикулярными поверхности проводника.

Электрический заряд проводников.

Внутри проводника при равновесии зарядов не только напряжённость поля равна нулю, равен нулю и заряд.
Весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.
В самом деле, если бы внутри проводника имелся заряд, то вблизи заряда имелось бы и поле.

Но электростатического поля внутри проводника нет.
Следовательно, заряды в проводнике могут располагаться только на его поверхности.

Этот вывод справедлив как для незаряженных проводников в электрическом поле, так и для заряженных.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Следующая страница «Диэлектрики в электростатическом поле»

Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

Электростатика — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

ESA Science & Technology — Исследователь фундаментальной физики

За последние 25 лет наше понимание Вселенной стало предметом повышенного внимания. Новые инструменты открыли новые захватывающие перспективы для проверки общей теории относительности и альтернативных теорий гравитации, для изучения квантовой механики и исследования границ квантовой гравитации. Нарушения основных законов современных теорий, лежащих в основе этих областей, могут дать ключ к объединению четырех сил или привести к открытию новых взаимодействий и частиц. Цель Fundamental Physics Explorer (FPE) — предоставить средства для проверки предположений, лежащих в основе современной физики, экономичным и действенным образом. Программа FPE может состоять из трех космических кораблей, каждый из которых повторно использует небольшую платформу, получая доступ к космической среде, чтобы воспользоваться преимуществами невесомости, что повысит точность текущих измерений. Справочное исследование технологий FPE (TRS) направлено на определение ключевых технологий и проблем, которые необходимо преодолеть, чтобы измерить небольшие нарушения этих фундаментальных принципов.

Архитектура миссии

Возможная концепция миссии состоит из трех миссий, каждая из которых проверяет различные аспекты фундаментальной физики;

• FPE-A – Специальная и общая теория относительности
• FPE-B — Принцип эквивалентности
• FPE-C — Конденсат Бозе-Эйнштейна

Предполагается, что небольшая пусковая установка VEGA/Rockot будет выводить каждый космический корабль на орбиту. Для FPE-B и C предлагается солнечно-синхронная орбита. Использование этой орбиты обеспечивает высокий уровень термической стабильности благодаря минимальному количеству затмений. FPE-A требует эллиптической орбиты, которая при правильном проектировании может привести к длительным периодам без затмений. В качестве цели эти космические аппараты должны иметь массу не более 1000 кг, чтобы сделать их совместимыми с использованием меньшей и более дешевой ракеты-носителя.

Каждая миссия будет иметь номинальную продолжительность от 4 до 12 месяцев. Короткие сроки снижают стоимость миссии за счет снижения эксплуатационных требований и потребностей.

Научные цели

Каждая миссия будет проверять определенную область фундаментальной физики, проводя эксперименты с одной полезной нагрузкой.

FPE-A — Тесты специальной и общей теории относительности
Одной из основ специальной теории относительности (СТО) является локальная лоренц-инвариантность (ЛЛИ). Согласно этому принципу результат любого локального пробного эксперимента не зависит от скорости свободно падающего аппарата. Одной из проверок этого постулата с беспрецедентной точностью может быть использование различных стандартов частоты. К ним относятся часы, основанные на сверхстабильных высокоточных резонаторах, атомные часы в оптической области и выполняющие как бортовые, так и наземные сравнения в зависимости от орбитального движения космического корабля. В зависимости от конкретной схемы установка будет чувствительна к нарушениям специальной теории относительности Эйнштейна, вызванным вариациями скорости света в зависимости от ориентации или скорости локальной системы отсчета (тесты изотропии и постоянства скорости света). Измерения позволили бы оценить ключевые параметры альтернативных теорий.

Как прямое следствие принципа эквивалентности Эйнштейна, одинаковые часы, помещенные в разные положения в стационарных гравитационных полях, будут испытывать частотный сдвиг, который в рамках постньютоновского приближения (PPN) пропорционален разнице ньютоновского потенциала на позиции часов. Наземные и бортовые сравнения атомных часов в оптической области могут использоваться для точной проверки предсказания Эйнштейна, проверки универсальности гравитационного красного смещения и, в то же время, для обнаружения возможных временных вариаций фундаментальных констант. Такие эксперименты обеспечили бы всестороннюю проверку принципа локальной позиционной инвариантности (LPI), который вместе со слабым принципом эквивалентности и локальной лоренцевской инвариантностью составляет основу общей теории относительности Эйнштейна.

Можно проводить следующие эксперименты*:

• Испытание на изотропию распространения света
• Проверка независимости скорости света от скорости лабораторной системы отсчета
• Измерение скорости света с помощью передачи времени и частоты из космоса на землю
• Измерение релятивистского эффекта замедления времени
• Абсолютное измерение гравитационного красного смещения
• Проверка универсальности гравитационного красного смещения
• Поиск изменений постоянной тонкой структуры во времени

Такие тесты значительно улучшили бы имеющиеся в настоящее время экспериментальные результаты.

*Следует отметить, что цель состоит в том, чтобы разработать концепцию миссии, которая была бы простой и недорогой. Достижение всех научных целей может оказаться невозможным.

FPE-B — Испытания универсальности свободного падения
Принцип слабой эквивалентности (WEP) постулирует независимость мировой линии свободно падающего пробного тела от его структуры и состава. Эта аксиома представляет собой один из краеугольных камней не только общей теории относительности Эйнштейна, но и почти всех современных теорий гравитации.

Вдохновленный предыдущими концепциями (например, STEP, GG, MICROSCOPE, HYPER), FPE-B будет искать нарушения универсальности свободного падения (тестирование WEP) и поиск экспериментальных указаний на альтернативные теории гравитации. Параметр, который исторически использовался для количественной оценки отклонения от WEP двух пробных тел с разным составом, инерционной массой и гравитационной массой, — это параметр Этвеша (). Это отношение дифференциального ускорения между двумя объектами и среднего комбинированного ускорения. Если WEP истинен, этот параметр будет равен нулю. Лучший эксперимент с капельной башней подтвердил правильность WEP до 3 × 10 ^-10 точность [1]. Эксперимент Земля-Луна, основанный на лазерной локации, дал погрешность 10 ^-13 . Испытания с точностью на уровне 5×10 ^-13 можно проводить на земле с помощью крутильных весов [1].

Экспериментальные цели:

• Сравнить не менее двух свободно падающих пробных тел различной структуры и состава (макроскопические пробные массы или атомарные образцы) с точностью = 10 ^-17 . Желательны дополнительные тестовые массы для усиления базового теста, но возможности могут быть ограничены.

FPE-C — Поведение конденсатов Бозе-Эйнштейна
Газовое облако идентичных частиц, охлажденных до очень низких температур и ограниченных потенциалами ловушки, претерпевает фазовый переход от классической к макроскопической квантовой системе, известной как Бозе-Эйнштейн Конденсат (БЭК). Все частицы БЭК занимают низшие энергетические состояния удерживающего потенциала, ведя себя как единая квантовая многочастичная система с четко определенными свойствами.

В настоящее время в лабораторных экспериментах можно регулярно получать БЭК с типичными температурами до нескольких десятков нК. Тем не менее, даже при этих сверхнизких температурах остаточная кинетическая энергия, необходимая для преодоления гравитации, играет существенную роль, маскируя важные эффекты, связанные с квантовой природой системы. В условиях микрогравитации тепловое движение атомов может быть уменьшено еще больше, и могут быть доступны температуры в режиме низкого pK или даже fK. Кроме того, очень длительное время расширения может быть достижимо в среде, почти свободной от возмущений, где атомный образец может развиваться, не ограничиваясь гравитацией и без какой-либо необходимости в левитации. Эти условия создают основу для инновационных исследований:

Определение полезной нагрузки

Предварительная работа над полезной нагрузкой выявила следующие возможности каждой миссии для достижения научных целей.

FPE-A — Испытания специальной и общей теории относительности
Ансамбль атомных часов на основе оптического перехода и сверхстабильных объемных резонаторов может обеспечить опорную частоту для выполнения измерений. Частоты между часами будут сравниваться с высокой степенью точности. Оптические часы с дробной нестабильностью частоты и неточностью на 10 ^-18 уровень требуется. Это должно быть достижимо в тихой (без сопротивления) космической среде.

Атомные часы состоят из генератора, привязанного к сверхстабильному атомному переходу. Оптические часы основаны на переходах в видимой области электромагнитного спектра, которая служит эталоном для стабилизации частоты опорного генератора.

Количество часов и конкретные атомные переходы должны быть правильно выбраны, чтобы оптимизировать результаты предлагаемых тестов.

FPE-B — Тесты слабого принципа эквивалентности
Существует несколько вариантов измерения нарушений в WEP. Достоверность WEP можно проверить с помощью дифференциального акселерометра (DA). Внимание было уделено STEP-подобным криогенно охлаждаемым сверхпроводящим DA [2], механической схеме Галилео Галилея [3] и атомной интерферометрии [4].

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ СКВИД ДАТЧИК
Принцип заключается в обнаружении дифференциального смещения двух коаксиальных совпадающих тестовых масс с помощью СКВИДов. Движение каждой тестовой массы создает ток в общей цепи для обеих тестовых масс, который обеспечивает сигнал ускорения. Поскольку цепи текут в противоположном направлении, любая разница в движении вызовет ток через цепь, общую для обеих испытательных масс. СКВИД улавливает крошечное магнитное поле, возникающее в результате этого потока тока. Для работы сверхпроводящего интерференционного устройства (СКВИД) требуются чрезвычайно низкие температуры, что приводит к необходимости криостата. На приведенной ниже схеме показан пример схемы «дифференциального режима».

Дифференциальная схема SQUID для измерения сигнала ускорения (Фото: ESA)

Сам прибор может состоять из двух DA, заключенных в кварцевый блок. Сборка может быть помещена в криостат для достижения рабочих температур 1,8 К, необходимых для сверхпроводящих элементов. Этот базовый проект очень близко соответствует конфигурации, предложенной для миссии Mini-STEP [5].

АТОМНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ
Было рассмотрено использование DA на основе атомной интерферометрии. Это устраняет необходимость в криогенике. В настоящее время проводится оценка осуществимости такого инструмента. Это будет включать исследование смеси двух газов с использованием трех импульсных рамановских/брегговских лазеров для расщепления и рекомбинации волн материи.

GG МЕХАНИЧЕСКАЯ ПОДВЕСКА
В GG испытательные массы представляют собой концентрические, полые, соосные цилиндры, соединенные в балансировочную систему с балкой, направленной вдоль оси симметрии. Прибор состоит из двух концентрических дифференциальных акселерометров, внутреннего на основе двух тестовых масс разной конструкции и состава для выявления нарушений универсальности свободного падения и внешнего с цилиндрами из того же материала для проверки нуля (цели калибровки). . Оба дифференциальных акселерометра чувствительны в плоскости, ортогональной оси симметрии. Испытательные цилиндры, подвешенные механически, вращаются с частотой ω _s выше собственной частоты ω _n . При этом ненулевой вектор смещения от оси вращения из-за погрешностей построения и монтажа уменьшается на коэффициент -( ω _n / ω _s )². Явление, известное как автоцентрирование при сверхкритическом вращении, требует наличия двух степеней свободы.

FPE-C — Поведение конденсатов Бозе-Эйнштейна
Этот полезный груз будет содержать экспериментальную установку для получения конденсатов Бозе-Эйнштейна. Атомные образцы будут улавливаться, охлаждаться до фазового перехода БЭК и затем использоваться для упомянутых выше экспериментов. В зависимости от типа эксперимента будут реализованы различные экспериментальные методы. Эволюция атомного образца будет отслеживаться с использованием методов визуализации, основанных на резонансном поглощении.

Космический корабль

Сборка чрезвычайно стабильной конструкции научного модуля LISA Pathfinder, март 2007 г. SVM должен повторно использоваться для каждой миссии и способен поддерживать каждый PLM с небольшими изменениями в требованиях к интерфейсу и ресурсам. Цель состоит в том, чтобы иметь SVM, который обеспечивает общий внутренний отсек для PLM и может быть изменен в зависимости от задачи. Управление без перетаскивания Точные измерения, выполняемые с помощью часов, интерферометров волн материи и дифференциальных акселерометров, требуют высокого уровня контроля негравитационных сил, действующих на космический корабль. Для достижения этой цели необходимо внедрить систему управления без перетаскивания (DFACS). Движение свободно падающей тестовой массы можно использовать для предоставления информации об ускорении в систему DFACS, чтобы применять небольшие допуски для компенсации. Такие системы в настоящее время изучаются в миссии LISA Pathfinder. LISA Pathfinder Использование платформы LISA Pathfinder SVM оценивается для повторного использования с полезными нагрузками FPE. Причина этого связана с затратами и рисками, что упрощает закупки. LISA Pathfinder — это миссия, демонстрирующая геодезическое движение, требующее управления без сопротивления. Он имеет следующие преимущества: Малый космический аппарат Сопоставимые требования к производительности Временная шкала доступности совместима с программой FPE Ограничение, применяемое к полезной нагрузке, заключается в том, что она должна соответствовать оболочке полезной нагрузки на борту платформы LISA Pathfinder и быть совместимой с доступными ресурсами космического корабля. Вызовы Высокостабильные атомные часы Разработка оптических часов, способных работать с нестабильностью относительной частоты от 10 -15 в 1 с до 10 -18 в 10 дней интегрирования. Это будет включать в себя устройство для преобразования тактовых частот в ТГц с понижением частоты для совместимости со стандартной электроникой (частотная гребенка). Системы передачи времени и частоты Разработка высокопроизводительных систем передачи времени и частоты является ключом к сравнению стабильного и точного стандарта частоты, генерируемого бортовыми оптическими часами, с наземными часами без ухудшения стабильности сигнала. Высокоточные дифференциальные акселерометры Требуются опытно-конструкторские работы для создания и аттестации дифференциального акселерометра, способного измерять крошечную разницу в ускорении до 10 -17 уровень. Это может быть использование СКВИДа или устройства типа атомной интерферометрии. Космические атомные ловушки Манипулирование и охлаждение холодных квантовых газов — это технология, которая должна быть аттестована для применения в космосе. Однако в этих мероприятиях будет использована работа, выполненная в рамках миссии ACES («Ансамбль атомных часов в космосе»). Управление без сопротивления Успешная реализация управления без сопротивления инерциальными датчиками. Экономичный и маломасштабный Эксперименты типа FPE проводились на земле, в то время как технологические разработки продолжаются. Дело в космосе заключается в том, чтобы использовать преимущества микрогравитации для дальнейшего улучшения измерений. Общая задача состоит в том, чтобы разработать космические приборы, способные достичь научных целей. Детали исследования Это исследование было выполнено SRE-PAM и завершено в 2007 году . Окончательный отчет Binns (2007) доступен для скачивания (см. Связанные публикации в меню справа). Ссылки [1] Everitt, C.W.F. и другие. «Исторический взгляд на проверку принципа эквивалентности», «Достижения в области космических исследований», том. 32, № 7, стр. 1297-1300, 2003 г. [2] Paik, HJ et al. «Принцип конструкции акселерометра STEP», «Достижения в области космических исследований», том. 32, № 7, стр. 1325-1333, 2003 г. [3] Нобили, А.М. и другие. «Галилео Галилей (GG). Предлагаемый космический эксперимент для проверки принципа эквивалентности и предварительные результаты наземного прототипа», НАСА D-18925, Материалы международной конференции НАСА/Лаборатории реактивного движения «Фундаментальная физика в космосе», 30 апреля — 1 мая, Вашингтон, округ Колумбия. [4] Ландрагин А. и Буйер П., «Атомная интерферометрия и когерентные волны материи», ЕКА SP-588, Тенденции в космической науке и космическом видении 2020, Материалы 39-го симпозиума ESLAB, 19 -21 апреля 2005 г., Нордвейк, Нидерланды, стр. 43–52. [5] Swanson, PN, «Mini-STEP: минимальный спутниковый тест эксперимента по принципу эквивалентности», Классическая квантовая гравитация, Vol. 13, pA143-A147, 1996 г. Контакт Никола Рандо Руководитель отдела научных миссий (SRE-PAM) Отдел перспективных исследований и подготовки технологий ESA — ESTEC, Keplerlaan 1, 2201 AZ Нордвейк, Нидерланды Nicola.Randoesa.int Последнее обновление: 1 сентября 2019 г.0001 Cosmic Explorer — гравитационно-волновая обсерватория нового поколения, обладающая большей чувствительностью и точностью, чем современные детекторы. 11 ноября 2021 г., Дэн Бернарди. Художественное представление космического исследователя. (Фото: Эдди Анайя, Калифорнийский государственный университет в Фуллертоне) Физики из Колледжа искусств и наук (A&S’) Gravitational-Wave Group находятся на переднем крае исследования Вселенной с помощью гравитационных волн. Исследователи A&S сыграли ключевую роль в решении фундаментальных вопросов физики нашей Вселенной, начиная с проектирования и строительства обсерваторий гравитационных волн и заканчивая научными исследованиями текущих обнаружений лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO). Стефан Балмер, профессор физики, и Дункан Браун, профессор физики Чарльза Брайтмана, являются частью команды, работающей над гравитационно-волновой обсерваторией следующего поколения, способной обеспечить лучшую чувствительность и более высокую точность, чем когда-либо прежде. Названный Cosmic Explorer, Балмер говорит, что он может наблюдать столкновения остатков первых звезд, которые образовались во Вселенной. Идея Cosmic Explorer была разработана группой сотрудников из Сиракузского университета, Массачусетского технологического института, Пенсильванского государственного университета и Калифорнийского государственного университета в Фуллертоне. Их идеи недавно получили широкое одобрение в десятилетнем обзоре Astro2020, проведенном Национальными академиями. Обзор, собираемый в течение трех лет руководящим комитетом из 20 человек и 13 группами экспертов, которые рассматривают предложения по крупным проектам, устанавливает приоритеты финансирования на следующее десятилетие от имени сообщества астрофизических наук. Положительное одобрение имеет большой вес для Конгресса и трех федеральных агентств, которые финансируют большую часть астрофизических исследований в США: НАСА, Национального научного фонда и Министерства энергетики. Что касается Cosmic Explorer, в обзоре Astro2020 говорится: «Астрофизика гравитационных волн является одним из самых захватывающих направлений в науке. Одним из ключевых приоритетов исследования является открытие новых окон в динамической Вселенной с обнаружением гравитационных волн на переднем крае. Непрерывный рост чувствительности объектов текущего поколения, таких как LIGO, путем поэтапной модернизации и планирования обсерватории следующего поколения, такой как Cosmic Explorer, имеет важное значение.Это потребует инвестиций в развитие технологий уже сейчас.Комитет по исследованию решительно поддерживает гравитационные волны наблюдения как центральные для многих важнейших научных целей». Физики A&S Дункан Браун (слева) и Стефан Балмер. Балмер и Браун были в составе международной группы ученых, которые в 2015 году впервые наблюдали гравитационные волны — результат столкновения двух черных дыр в далекой Вселенной около 1,3 миллиарда лет назад — что подтвердило важную часть теории Альберта Эйнштейна. общей теории относительности. Это открытие было сделано детекторами Advanced LIGO, расположенными в Ливингстоне, штат Луизиана, и Хэнфорде, штат Вашингтон. С тех пор гравитационно-волновая астрономия значительно продвинулась вперед. В ноябре 2021 года научное сотрудничество LIGO объявило об открытии 32 новых пар столкновений черных дыр и двух событий, когда черная дыра поглотила нейтронную звезду, в результате чего общее число наблюдаемых событий с 2015 года превысило 2209.0005 Физики A&S и их сотрудники разрабатывают Cosmic Explorer, который, по словам Брауна, будет иметь в десять раз большую чувствительность, чем Advanced LIGO, и сможет обнаруживать каждое столкновение с черной дырой в видимой Вселенной. «Cosmic Explorer продвинет возможности гравитационно-волновой астрономии к краю наблюдаемой Вселенной», — говорит Браун. «Наблюдения Cosmic Explorer за слиянием нейтронных звезд объяснят накопление химических элементов, которые являются строительными блоками нашего мира, и сделают открытия, которые пока невозможно предвидеть, особенно с учетом того, что гравитационные волны достигают областей Вселенной, которые электромагнитные наблюдения не могут исследовать. ». Балмер говорит, что Группа гравитационных волн Сиракузского университета находится в интеллектуальном ядре проекта Cosmic Explorer, чей только этап концептуального проектирования, как ожидается, превысит 60 миллионов долларов в течение следующих пяти лет. Команда стремится запустить Cosmic Explorer в середине 2030-х годов, но для этого, по их словам, необходимы инвестиции в развитие технологий уже сейчас. «Решительное одобрение Cosmic Explorer Национальными академиями придает импульс, который мы создали для продвижения Cosmic Explorer к его окончательному дизайну и конструкции», — говорит Браун. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника