Что является источником электрического поля
Перейти к содержимому

Что является источником электрического поля

  • автор:

Что является источником электрического поля?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

поделиться знаниями или
запомнить страничку

  • Все категории
  • экономические 43,679
  • гуманитарные 33,657
  • юридические 17,917
  • школьный раздел 612,634
  • разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

  • Обратная связь
  • Правила сайта

Что является источником электрического поля

Любой положительный или отрицательный заряд создает вокруг себя электрическое поле. Следовательно, источником стационарного электрического поля является неподвижный заряд. Параметры такого поля можно рассчитать, используя закон Кулона. Электродинамика рассматривает также и движущиеся заряды. В этом случае наряду с электрическим возникает еще магнитное поле. Все взаимодействия в электромагнитном поле описывают уравнения Максвелла.

Условия образования электрополя

Условия образования электрополя

Виды источников электроэнергии

Учитывая способ преобразования энергии, можно выделить несколько видов источников тока. Они используют разные принципы, что отражается на сфере применения и особенностях работы.

Виды ИТ

Виды источников тока

Механический источник тока

Установки, которые преобразуют механическую энергию в электрическую, появились у людей раньше других. К первой модели относится электрофорная машина. Ее работа основана на явлении электромагнитной индукции. Сама установка состоит из пары дисков. Они размещены параллельно друг другу. Фольга, которой покрыты участки дисков, служит в качестве проводника. На небольших пластинках накапливается заряд. Первоначально он небольшой, но диски вращаются в противоположных направлениях, что приводит к росту потенциалов.

Электрофорная машина

Электрофорная машина

Электрофорная машина отлично подходит для демонстрации, поэтому часто встречается в учебных заведениях. Иногда подобные приборы применяют для устранения индукционных зарядов на поверхности жидкостей. В реальной жизни чаще используют генераторы. Они способны как преобразовывать электрическую энергию в механическую, так и наоборот. Этим явление можно воспользоваться, чтобы получить необходимое напряжение.

По типу различают генераторы постоянного и переменного тока. Последние, в свою очередь, делятся на однофазные и трехфазные. Топливом служит бензин, газ или дизель. Сгорая топливо приводит в движение коленчатый вал. Также внутри находится магнит и замкнутый проводящий контур. В иных случаях электродвигатель может состоять только из обмоток. Вращение одного из элементов и ведет к появлению тока в контуре за счет изменения его положения в магнитном поле. Такие источники для создания электрического поля можно встретить в быту и на предприятиях. Часто бензиновые генераторы устанавливают в домах или больницах для применения при перебоях в поставках электроэнергии.

Электромеханический генератор

Электромеханический генератор

Электромеханические преобразователи можно разделить на емкостные и индуктивные. Также существуют пьезоэлектрические преобразователи. Они применяются в зажигалках, излучателях ультразвука, датчиках и прочих устройствах. Грани кристалла при сжатии могут скапливать заряд, что называют прямым пьезоэффектом.

Тепловой источник тока

Преобразование внутренней энергии в электрическую используется в различных датчиках. В качестве примера можно назвать термопару. Ее конструкция проста: две проволоки, материалами для которых служат разные металлы, спаивают с одного конца. Ко второму концу каждого из проводников можно подключить клеммы измерительного прибора. Тогда при нагревании спаянного конца можно зафиксировать разницу потенциалов.

Схема термопары

Схема термопары

Термоэлектрический эффект часто применяется в бытовых приборах. Он позволяет автоматически регулировать нагрев утюгов, паяльников и радиаторов. Также термопары распространены в промышленном оборудовании. От характеристик металла зависит температура, при которой можно эксплуатировать датчик. Например, термопара, состоящая из хромеля и алюмеля, подойдет для работы в диапазоне от -200 до +1300 градусов по Цельсию.

По типу спайки термопары делят на три категории: с изолированным, неизолированным и открытым наконечником. Первый вариант устойчив к воздействию среды. Последний же обладает лучшим временем отклика.

Химический источник тока

Если электрическая энергия выделяется в результате какой-либо химической реакции, то говорят о химических источниках тока. Их делят на три категории:

  • гальванические элементы, реакция внутри которых необратима;
  • аккумуляторы похожи на предыдущий тип, но могут использоваться неоднократно;
  • топливные элементы подходят для длительной работы: вещества для реакции поступают постоянно, а отработанная часть своевременно удаляется из камеры.

Внутри химического источника ЭДС находятся катод, анод и электролит.

Устройство химического ИТ

Устройство химического ИТ

Для химических элементов характерен эффект саморазряда. Оставленная без нагрузки батарейка постепенно будет терять энергию. Тот же эффект ярко выражен и у аккумуляторов.

Химический источник тока в быту встречается в формате батареек. Существует множество их моделей определенной формы и с заданным напряжением на клеммах. Они могут применяться в градусниках, часах, пультах и прочих приборах.

Аккумулятор

Особенность аккумуляторов состоит в том, что в отличие от простого химического источника их можно перезаряжать. По составу их делят на:

  • Литий-ионные. Такой вариант встречается в большинстве мобильных гаджетов. Аккумулятор не требует обслуживания, обладает высокой токоотдачей и низким саморазрядом. Он выдерживает более 1000 циклов заряда-разряда.
  • Щелочные. NiCd и NiMh могут применять для питания портативных приборов. По сравнению с Li-ion неплохо выдерживают отрицательные температуры.
  • Свинцово-кислотные. За счет невысокой цены получили широкое распространение в разных сферах. Используются там, где нет жестких требований к размерам, например, в автомобилях. Они выдерживают более 500 циклов (в некоторых случаях до нескольких тысяч).

Аккумуляторы встречаются в автомобилях, пылесосах, смартфонах и прочих повседневно используемых устройствах. От типа аккумулятора зависит уровень саморазряда, способность сохранять емкость при различных температурах и прочие особенности.

Аккумулятор

Аккумулятор

Световой источник тока

Некоторые источники могут создавать электрическое поле под воздействием светового потока. Такое явление называется фотоэлектронной эмиссии. Переняв энергию от фотона, некоторые атомы могут «терять» электроны, что и приводит к появлению тока в цепи. Примером являются солнечные батареи.

Солнечные батареи

Солнечные батареи

Вариант получения энергии с помощью солнечных батарей считается экологичным, поэтому применяется во многих странах. Панели, размещенные на крышах зданий, позволяют покрыть часть потребностей в энергии и, соответственно, снизить нагрузку на городскую сеть. Работа солнечных батарей зависит от особенностей климата. Ночью такой вариант применить не получится.

ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Уже первые эксперименты в области электричества установили, что вещества существенно отличаются по своей способности сохранять и передавать “нечто электрическое”. Некоторые (стекло, шерсть, эбонит, янтарь, пластмассы) легко можно наэлектризовать трением и сохранять заряд достаточно долго. Другие (металлы) электризовать надо особым образом, например, через влияние (см. рис.9.1). Они получили названия соответственно изоляторы и проводники. Следует отметить, что различие в проводимости может быть очень большим (до 10 25 раз). Так для меди удельное сопротивление 1,72 . 10 -8 Ом . м, а для янтаря или второпласта — 10 17 Ом . м.

Однако в природе нет абсолютных проводников или изоляторов. Одни и те же вещества при разных условиях могут являться как проводниками, так и изоляторами. Например, стекло в обычных условиях является изолятором, однако при нагреве может стать вполне хорошим проводником (рис.9.2). Уместна следующая механическая аналогия: асфальт мы воспринимаем как твердое тело, хотя с точки зрения геологических масштабов времени — это жидкость, способная просачиваться сквозь горные породы и образовывать озера.

2. Классификация проводников.

классические новые (ХХ век)
металлы электролиты плазма сверх
проводники
полу
проводники
электроны положительные и
отрицательные ионы
электроны,
положительные и
отрицательные ионы
электронные
куперовские
пары
электроны
и дырки

Мы относим сверхпроводники и полупроводники к проводникам, хотя это вопрос весьма спорный, так как они обладают особыми свойствами. Однако общим свойством для всех проводников является то, что в них имеются свободные носители заряда, поэтому заряды, возникающие во внешнем электростатическом поле, могут быть легко отделены друг от друга и перемещаться внутри проводника.

3. Поле и заряд внутри проводника.

Мы начинаем изучение поля в веществе. Так как любое вещество состоит из заряженных элементарных частиц, то микроскопическое электрическое поле есть всегда. Мы говорим только об усредненном по большим объемам поле.

Пусть есть два слоя зарядов, создающих электростатическое поле. Расположим между ними очень неплотное тело без свободных зарядов. Поле практически не исказится (рис.9.3а). Если каким-то образом создать внутри свободные заряды, то они придут в движение (рис.9.3б). За пределы тела они выйти не могут, поэтому начнут скапливаться вблизи поверхности и создавать внутри проводника свое собственное поле. Это будет происходить до тех пор, пока внутри первоначальное поле не будет полностью уничтожено. Окончательное распределение зарядов и поля показано на рис.9.3в.

Данное утверждение легко доказать на практике. На рис.9.4 показано распределение поля созданного двумя разноименными зарядами и нейтральным металлическим кольцом. Картина получена с помощью размельченных кристаллов гипса. Видна структура поля за пределами кольца. Внутри кольца поля нет.

Следовательно, по теореме Гаусса и объемная плотность заряда в проводнике равна 0. Заряд может располагаться только на поверхности проводника. Если проводник полый, то заряд находится только на внешней поверхности.

Возьмем гибкую металлическую сетку с наклеенными легкими бумажными листочками (сетку Кольбе) (см. рис.9.5) и зарядим ее. На выпуклых поверхностях сетки листочки будут отклоняться больше, чем на вогнутых.

Если вы решали задачу о перераспределении заряда между двумя соединенными проводящими шарами (см.лк.6.п.16), то уже знаете выражения

где Q — исходный суммарный заряд, а q1 и q2 — оставшиеся на шарах заряды. Понятно, что при перераспределении зарядов по проводнику течет ток и изменяется электрическое поле. Но сейчас нас интересует другое.

Сравним поверхностные плотности зарядов на этих шарах, считая, что они далеко друг от друга и заряжены равномерно.

Следовательно, там, где радиус кривизны поверхности меньше, там поверхностная плотность заряда больше и поэтому заряды будут собираться на остриях. Стоит обратить внимание на распределение заряда на рис.6.10. и 9.7.

Поверхностная плотность заряда может стать столь большой (следовательно, большая напряженность), что заряд может стекать с острия. Вблизи острия молекулы поляризуются, притягиваются к острию, заряжаются одноименно и отталкиваются. Сила отталкивания превосходит силу притяжения, так как она действует на заряженные молекулы, а сила притяжения на нейтральные. Возникает поток заряженных частиц воздуха, направленный от острия, так называемый электрический ветер, который может отклонить пламя свечи или вообще задуть ее (рис.9.8).

Еще одна демонстрация данного явления -это колесо Франклина (рис.9.9)- аналог Сегнерова колеса в гидродинамике. Поток частиц, стекающий с остриев, приводит во вращение легкий крест из металлических проволок.

В очень сильных полях механизм утечки заряда более сложный. Воздух может ионизоваться, и возникает электрический ток (пробой). Для воздуха критическая напряженность ~3 МВ/м. На этом явлении основано действие молниеотвода, который мы продолжаем называть громоотводом по традиции. Подробнее об этом мы расскажем при изучении газовых разрядов.

4. Напряженность и потенциал на поверхности проводника.

Рассмотрим какую-либо заряженную поверхность произвольной формы с поверхностной плотностью заряда s, разделяющую два полупространства в которых есть электростатическое поле (рис.9.10).

Возьмем бесконечно малую площадку dS и построим цилиндр очень малой высоты (консервную банку). Тогда по теореме Гаусса (поток через боковую поверхность пренебрежимо мал) имеем

В проекциях на единую нормаль , проведенную от первой области ко второй

Таким образом, при переходе через заряженную поверхность нормальная составляющая электростатического поля терпит разрыв (вспомним, что мы уже отмечали этот факт в лекции №5 п.9).

Теперь возьмем очень маленький участок границы dl и окружим его прямоугольником крайне малой высоты (рис.9.11). Применим теорему о циркуляции, пренебрегая циркуляцией по боковым сторонам прямоугольника.

В проекции на единый вектор касательной

Таким образом, касательная составляющая электростатического поля непрерывна. Это и понятно. Иначе существовало бы непрерывное движение зарядов вдоль поверхности.

Выражения (9.5) и (9.7) называются граничными условиями.

Подумаем, к чему приведут эти выводы, если в качестве второго полупространства взять проводник.

выводы: электростатическое поле всегда перпендикулярно поверхности проводника;
потенциал постоянен по всей поверхности и по всему объему проводника.
Линии напряженности начинаются (или оканчиваются) на поверхности проводника, не проникая внутрь (см. рис.9.3).
rem: Наивно думать, что источником поля является только поверхностная плотность заряда. Поле создается всеми зарядами системы. Поверхностный заряд на проводнике “приспосабливается” к влиянию окружающих зарядов, пока не будут выполнены вышеприведенные соотношения.

5. Теоремы Фарадея.

Рассмотрим теперь несколько утверждений, которые в совокупности называются теоремами Фарадея.

Пусть имеется проводящая полость, внутри которой находится система зарядов. Внутри проводника проведем замкнутую поверхность S, которая на рисунке 9.12 показана штриховой линией. Так как напряженность на S равна 0 (внутри проводника!), то по теореме Гаусса заряд внутри поверхности S должен равняться 0. Следовательно, на внутренней поверхности полости образовался заряд, противоположный по знаку расположенному внутри. По закону сохранения заряда на внешней поверхности полости образовался заряд, аналогичный расположенному внутри. Если каким-то образом соединить внутренний заряд с внутренней поверхностью полости, то внутри заряд уничтожится, а на поверхности останется. Таким образом, можно сообщить телу весьма большой заряд с помощью цилиндра ( ведерка) Фарадея (рис.9.13).

Принцип действия электростатического генератора (генератора Ван де Граафа) показан на рис.9.14.

Положительный полюс источника питания а) соединен с шаром е). Отрицательный полюс заземлен. Пробный шарик б) касается шара е), заряжается и переносится внутрь большого шара в), где и разряжается. Заряд переходит на внешнюю поверхность сферы в). Электрометр г) показывает нарастание потенциала. Процесс можно автоматизировать, если соединить положительный полюс источника с водой д). Таким образом можно «накапать» весьма большой заряд.

Сами теоремы Фарадея можно сформулировать следующим образом.

Lex: Заряд на внутренней поверхности проводящей оболочки равен по модулю и противоположен по знаку заряду, окруженному этой оболочкой.
Lex: Внешние заряды не создают внутри проводника никакого поля.

6. Электростатическая защита.

Последняя теорема обеспечивает действие электростатической защиты.

Если сетку Кольбе замкнуть и накрыть сверху и снизу тоже сеткой, то получим устройство, которое называется клеткой Фарадея (рис.9.15). Она располагается, конечно, на изолирующих подставках. Фарадей в 1836 г забрался внутрь клетки сам и захватил с собой электроизмерительные приборы. Клетка заряжалась от электростатической машины до очень высокого потенциала, однако внутри Фарадей не отмечал никакого поля.

Сейчас точные приборы тоже помещают в металлический кожух. Физики, использующие высоковольтные ускорители Ван де Граафа, также забираются со своими приборами внутрь. И хотя разность потенциалов достигает миллионов Вольт, им нечего бояться. Их охраняет сам Фарадей.

rem: Следует отметить, что электростатическая защита не “экранирует” внешнее поле, а позволяет зарядам в проводнике перераспределиться и создать компенсирующее поле.

7. Генератор Ван де Граафа(1931 г.).

Мы достаточно подробно рассмотрели его принцип работы, а устройство понятно и без слов (рис.9.16).

1- металлическая сфера диаметром 4-5 м;

2- изолирующие опоры;

3- лента из прорезиненной ткани;

4- вращающиеся шкивы;

6- заземленная пластина;

8- источник (несколько кВ)

Изоляция из элегаза (SF6) позволяет избежать пробоя и поднять потенциал до 15-20 МВ.

Демонстрационный генератор Ван де Граафа показан на рис.9.17. Два шара использованы для того, чтобы один зарядить положительно, другой отрицательно.

Электрическое поле

Нажмите, чтобы узнать подробности

Тест содержит 10 заданий с выбором ответа. Можно применить в 10 классе после прохождения темы «Электрическое поле».

Просмотр содержимого документа
«Электрическое поле»

  1. Источником электростатического поля является …

А. Постоянный магнит. Б. Проводник с током. В. Неподвижный электрический заряд. Г. Движущийся электрический заряд. 2. Какой из графиков на рис. соответствует зависимости модуля кулоновской силы, действующей между двумя точечными зарядами, от расстояния между зарядами? 1 3 2 4

А. 1. Б. 2. В.3. Г. 4. 3. В одну и ту же точку однородного электрического поля вначале поместили протон, а затем – электрон . Величина кулоновской силы, действующей на частицу, … А. Не изменилась. Б. Увеличилась. В. Уменьшилась. Г. Вначале увеличилась, а затем уменьшилась. 4. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов при увеличении расстояния между ними в 4 раза? А. Увеличится в 4 раза. Б. Уменьшится в 4 раза. В. Увеличится в 16 раз. Г. Уменьшится в 16 раз.

5. Как изменится сила электростатического взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов при перенесении их из вакуума в среду с диэлектрической проницаемостью 81, если расстояние между ними остается прежним? А. Не изменится. Б. Уменьшится а 81 раз. В. Увеличится в 81 раз. Г. Уменьшится в 6561 раз. 6. На рис. приведено графическое изображение электрического поля с помощью линий напряженности. На каком из рисунков изображено однородное электрическое поле?

1 2 3 4 А.1. Б. 2. В. 3. Г. 4. 7. Как изменится по модулю напряженность электрического поля в данной точке при уменьшении заряда, создающего поле, в 3 раза? А. Уменьшится в 3 раза. Б.Увеличится в 3 раза. В. Уменьшится в 9 раз. Г. Не изменится. 8 . Разность потенциалов между обкладками конденсатора 200 В. Электрон перемещается из точки 1 в точку 2 так, как показано на рис. Чему равна работа по перемещению электрона из одной точки поля в другую?

А. 200 Дж. Б. 0. В. 320*10 -19 Дж. Г. 320*10 19 Дж. 9. На рис. изображено однородное электрическое поле и протон. В каком направлении на протон действует сила и каков характер движения частицы?

А. Влево, равномерное. Б. Влево, равноускоренное. В. Вправо, равномерное. Г. Вправо, равноускоренное. 10. Заряд конденсатора 0,4 мКл, напряжение между обкладками 500 В. Энергия заряженного конденсатора равна … А. 0,1 Дж. Б. 0,2 Дж. В. 100 Дж. Г. 200 Дж.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
В Г А Г Б В А Б Б А

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *