Энергетической характеристикой электрического поля является. Энергетические характеристики электрического поля: потенциал, напряжение, напряженность

Какие величины используются для описания энергетических свойств электрического поля. Как связаны между собой потенциал, напряжение и напряженность электрического поля. Каковы единицы измерения этих величин.

Основные энергетические характеристики электрического поля

Электрическое поле обладает энергией и способно совершать работу над заряженными частицами. Для количественного описания энергетических свойств электрического поля используются следующие основные характеристики:

• Потенциал
• Напряжение
• Напряженность

Рассмотрим подробнее каждую из этих величин и связь между ними.

Потенциал электрического поля

Потенциал является основной энергетической характеристикой электрического поля в данной точке пространства. Он определяется как отношение потенциальной энергии пробного положительного заряда, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда:

φ = W / q

где:

• φ — потенциал поля в данной точке
• W — потенциальная энергия пробного заряда
• q — величина пробного заряда

Единица измерения потенциала — вольт (В).

Напряжение электрического поля

Напряжение представляет собой разность потенциалов между двумя точками электрического поля:

U = φ1 — φ2

где φ1 и φ2 — потенциалы в двух разных точках поля.

Напряжение также измеряется в вольтах (В) и характеризует работу, которую совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Напряженность электрического поля

Напряженность является силовой характеристикой электрического поля, но также тесно связана с его энергетическими свойствами. Она определяется как отношение силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда:

E = F / q

Единица измерения напряженности — вольт на метр (В/м).

Связь между потенциалом, напряжением и напряженностью

Между рассмотренными энергетическими характеристиками электрического поля существует тесная взаимосвязь:

• Напряженность равна градиенту потенциала, взятому с обратным знаком: E = -grad φ
• В однородном поле напряженность связана с напряжением соотношением: E = U / d, где d — расстояние между точками
• Работа поля при перемещении заряда выражается через напряжение: A = q U

Таким образом, зная одну из энергетических характеристик, можно определить другие для данного электрического поля.

Примеры значений энергетических характеристик

Рассмотрим некоторые примеры типичных значений потенциала, напряжения и напряженности электрического поля:

• Напряжение в бытовой электросети: 220 В
• Напряжение автомобильного аккумулятора: 12 В
• Напряженность поля вблизи заряженного тела: 10³ — 10⁵ В/м
• Напряженность поля атмосферы в ясную погоду: 100-150 В/м
• Напряженность поля пробоя воздуха: 3·10⁶ В/м

Эти примеры дают представление о порядках величин энергетических характеристик в различных ситуациях.

Применение энергетических характеристик электрического поля

Знание энергетических характеристик электрического поля необходимо для решения многих практических задач электротехники и электроники:

• Расчет напряжений и токов в электрических цепях
• Проектирование изоляции высоковольтного оборудования
• Определение емкости конденсаторов
• Расчет сил, действующих на заряженные частицы
• Анализ работы электронных приборов

Поэтому понимание физического смысла и взаимосвязи потенциала, напряжения и напряженности крайне важно для специалистов, работающих с электрическими и электронными устройствами.

Методы измерения энергетических характеристик поля

Существуют различные экспериментальные методы измерения энергетических характеристик электрического поля:

• Измерение потенциала и напряжения с помощью электростатических вольтметров
• Определение напряженности по отклонению пробных заряженных частиц
• Визуализация силовых линий поля с помощью электролитических ванн
• Использование электрооптических эффектов для картирования полей

Выбор конкретного метода зависит от параметров исследуемого поля и требуемой точности измерений.

Заключение

Потенциал, напряжение и напряженность являются ключевыми энергетическими характеристиками электрического поля. Они тесно взаимосвязаны и позволяют полностью описать энергетические свойства поля в любой его точке. Понимание физического смысла этих величин и умение оперировать ими необходимо для решения широкого круга задач электротехники и электроники.

Какая величина является энергетической характеристикой электрического поля?

Запиши в стандартном виде: 1) 314,15 2) 8747,2 3) 0,00087 4) 0,0054​​

Международная система единиц Каков объем кубического кусочка льда из катка в спортивном комплексе «Медео», если стороны ледяного слоя составляют 5 см? … Вырази свой ответ вм2, дм3, см3.​

Запиши в стандартном виде: 1) 314,15 2) 8747,2 3) 0,00087 4) 0,0054​

реферат на тему: температурна шкала вимірювання, теплова рівновага. Будь ласка​

Монгольские кочевники в холодное время года для обогрева своего жилища юрты включили в нем топливный обогреватель, в результате чего температура возду … ха в юрте установилась t = 16 °С. Чтобы увеличить температуру в юрте, кочевники включили еще один такой же обогреватель, и температура в жилище через некоторое время установилась to — 25 °С. Считая, что мощность теплопотерь пропорциональна разности температур воздуха в юрте и атмосферного воздуха, определи, какая температура to атмосферного воздуха была в данное время года в монгольских степях. Ответ вырази в градусах Цельсия и округли до целых .​

какой будет зависимость силы тока от напряжения если сопротивление будет потоянно

Вариант 2 1. Определить цену деления прибора, его показания и погрешность измерений 100- 4 5 6 . Mon мл Н 1 50 30 30 о 20 104 No Цена деления Показани … я прибора, а Погрешность измерения, Да Результат измерения с учетом погрешности, A=a+Aa А= …. ….. А= …. ….. А= …. +….. А= + 1 2 3

По шкале Цельсия определена температура некоторого предмета. Показания термометра представлены на рисунке. Чему равна цена деления термометра? Чему ра … вна температура t предмета? Цена деления термометра равна °C. Температура t предмета равна (целое число) °C. …. . 60 x 50 x x x x x x x x termometrs-5.png

Дан измерительный механизм с сопротивлением Rи = 0.4 Ом и номинальным током Iн = 0.5А. Как сделать из него амперметр с пределами 5А и 10А? Привести ра … счет и схему прибора.

30 баллов, срочно,сор3. Измерив рост каждого участника группы, заполнит таблицу. Фамилия Название Результат ИМЯ измерения ИЗме гат НИЯ Среднее значен … ие​

Что является энергетической характеристикой электрического поля

Напряжённость

Напряжённость — векторная величина определяющая силу

действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.

Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.

Характеристики электрического поля

Человек быстро понял, что электрическое поле есть, уже в XVIII веке – либо раньше – нарисована опилками его картина. Люди увидели линии, выходившие из полюсов. По аналогии стали пытаться изобразить электрическое поле. К примеру, Шарль Кулон на исходе восемнадцатого столетия открыл закон притяжения и отталкивания зарядов. Записав формулу, понял, что эквипотенциальные линии силы взаимодействия концентрически расходятся вокруг точечного скопления электричества, а траектории движения – прямолинейны.

Так оказалась изображена первая картина электрического поля. Напоминает картину, как исследователи представляли магнитное, но с гигантской разницей: в природе нашлись заряды обоих знаков. Линии напряжённости уходят в бесконечность (в теории, безусловно, закончатся). А магнитные заряды поодиночке не найдены, линии их всегда замыкаются в видимой области пространства.

Первая картина электрического поля

В остальном нашлось много общего, к примеру, заряды одинакового знака отталкиваются, а разных – притягиваются. Это справедливо для магнитов и электричества. Гильберт заметил, что магнетизм – сильная субстанция, которую сложно экранировать или уничтожить, а электричество легко разрушается влагой и прочими веществами. Дёгтя в бочку добавил Кулон, который, следуя Бенджамину Франклину, присвоил электронам отрицательный заряд. Хотя речь шла о количестве флюида. И избыток электронов следовало назвать положительным.

Как результат, линии напряжённости поля располагаются в направлении обратном правильному. Потенциал растёт не туда… Главными характеристиками электрического поля считаются:

1. Напряжённость – показывает, какая сила действует на положительный единичный заряд в данной точке со стороны поля.
2. Потенциал – показывает, какую работу способно затратить поле, чтобы переместить единичный пробный положительный заряд в бесконечно удалённую точку.
3. Напряжение – разность потенциалов между двумя точками. Напряжение определяется исключительно относительно некоторого уровня.

Наиболее вероятно происхождение терминов из латинского языка. Напряжённость ввёл в обиход, предположительно, Алессандро Вольта, а потенциал называется по наименованию типа поля, которое указанной величиной характеризуется: работа по перемещению заряда не зависит от траектории, равна разнице потенциалов начальной и конечной точки. Следовательно, на замкнутой траектории равна нулю.

Потенциал

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.

φ = W/Q [В]

Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.

Лекция по теме «Электрическое поле и его характеристики»

Просмотр содержимого документа «Электрическое поле и его характеристики»

Екатеринбургский автомобильно-дорожный колледж. Лекции по «Электротехнике и электроники.

Преподаватель Тонкушина Д.Д.

Раздел № 1. Электротехника

Тема 1.2.

Электрическое поле и его характеристики.

знать:

свойства и характеристики электрического поля, классификацию электрических цепей, условные обозначения элементов электрической цепи, понятия электрического тока, силы тока, напряжения, сопротивления и проводимости;

уметь:

рассчитывать такие параметры электрической цепи как электрическое сопротивление, ток, напряжение, проводимость.

Литература, использованная при подготовке лекции:

Морозова Н.Ю. Электротехника и электроника/ Н.Ю. Морозова. — :ОИЦ «Академия», 2011.

Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника/ А.С. Касаткин, М.В. Немцов: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд.

Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г., Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники/ Т.Ф. Березкина, Н.Г. Гусев, В.В. Масленникова. — М.: Высшая школа, 1991.

Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехн. спец. средних спец. учеб. заведений. — 4-е изд., стер./ И.А. Данилов, П.М. Иванов. — М.: Высшая школа, 2000.

1. Характеристики электрического поля

Для лучшего усвоения последующего материала необходимо актуализировать знания, пройденные в ходе изучения физики. Вспомним характеристики электрического поля.

Все вещества состоят из молекул, а молекулы в свою очередь из атомов. Атом состоит из протонов, электронов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны отрицательный, а нейтроны — это частицы, не обладающие зарядом. Атом считается нейтральным, если он имеет одно и то же число электронов и протонов, уравновешивающих друг друга. Если атом получает электрон, он становится отрицательно заряженным, если атом теряет электрон, — положительно заряженным (рис. 1). Таким образом, каждое вещество содержит большое число элементарных частиц, обладающих электрическим зарядом.

Электрический заряд —

величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц.

Обозначение — q или Q. Единица измерения — Кулон.

Вокруг заряда в любой среде, в том числе и в вакууме, возникает электрическое поле.

Электрическое поле

— пространство, в котором на электрически заряженные частицы и тела воздействует сила (рис.2).

Электростатическое поле

— поле, создаваемое неподвижными заряженными зарядами.

Свойства электрического поля:

порождается электрическими зарядами;

обнаруживается по действию на заряд;

действует на заряды с некоторой силой.

Электрическое поле изображается силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля (рис.3).

Под действием сил электростатического поля заряды взаимодействуют друг с другом: одноименные — отталкиваются, разноименные — притягиваются (рис.4).

Например, когда вы расчесываете волосы пластмассовой расческой, волосы и расческа становятся заряженными, поэтому волосы притягиваются к расческе или к расческе может прилипнуть кусочек бумаги. А тело человека может заряжаться до напряжения около 20 кВ.

Сила взаимодействия электрических зарядов определяется законом Кулона и направлены по прямой линии (рис. 5).

Если в электрическое поле поместить пробный положительный заряд, то силы этого поля будут стремиться переместить этот заряд в определенном направлении. Таким образом, электрическое поле обладает следующими характеристиками:

Напряженность

— это сила, с которой электрическое поле действует на заряд, помещенный в данную точку. Единица измерения — вольт/метр.

где Е — напряженность,
F— сила, Н;q— величина электрического заряда, Кл.
Например: иногда во время грозы или при её приближении на острых концах высоких предметов (башни, мачты, одиноко стоящие деревья, линии электропередачи и т.п.) возникает разряд в форме светящихся пучков или кисточек (так называемый коронный разряд). Это явление получило название Огни святого Эльма. Причиной его возникновения является большая напряженность электрического поля (500 В/м и выше) у острия атмосферы.

Потенциал

— работа, которая производится силами электрического поля при перемещении единицы положительного заряда из данной точки в бесконечность (в точку с нулевым потенциалом) (рис.6). Единица измерения — вольт.

где
— потенциал; А — работа сил электрического поля, Н∙м;q— количество электричества, Кл;F— сила, Н;S— путь, м.
Эта работа равна потенциальной энергии WМ, которой обладает заряд в 1 Кл в рассматриваемой точке поле (например, М).

В электрическом поле потенциал положительного заряда любой точки положителен, а в поле отрицательного заряда — отрицателен.

Потенциал различных точек электрического поля обычно сравнивают с потенциалом земли, который принято считать равным нулю (подобно тому, как температуру любого тела сравнивают с температурой таяния льда). Это значит, что потенциал проводника, электрически соединенного с Землей, равен нулю. Положительный потенциал больше (выше) потенциала земли, а отрицательный потенциал меньше (ниже) потенциала земли.

Характеристики электрического поля

Электрическое поле описывается векторной величиной – напряженностью. Стрелка, направление которой совпадает с силой, действующей в точке на единичный положительный заряд, длина пропорциональна модулю силы. Физики находят удобным пользоваться потенциалом. Величина скалярная, проще представить на примере температуры: в каждой точке пространства некоторое значение. Под электрическим потенциалом понимают работу, совершаемую для перемещения единичного заряда из точки нулевого потенциала в данную точку.

Электрический потенциал

Поле, описываемое указанным выше способом, называется безвихревым. Иногда именуют потенциальным. Функция потенциала электрического поля непрерывная, изменяется плавно по протяженности пространства. В результате выделим точки равного потенциала, складывающие поверхности. Для единичного заряда сфера: дальше объект, слабее поле (закон Кулона). Поверхности называют эквипотенциальными.

Для понимания уравнений Максвелла заимейте представление о нескольких характеристиках векторного поля:

Градиентом электрического потенциала называется вектор, направление совпадает с наискорейшим ростом параметра поля. Значение тем больше, чем быстрее изменяется величина. Направлен градиент от меньшего значения потенциала к большему:

1. Градиент перпендикулярен эквипотенциальной поверхности.
2. Градиент тем больше, чем ближе расположение эквипотенциальных поверхностей, отличающихся друг от друга на заданную величину потенциала электрического поля.
3. Градиент потенциала, взятый с обратным знаком, является напряженностью электрического поля.

Электрический потенциал. Градиент “взбирается в гору”

• Дивергенция является скалярной величиной, вычисляемой для вектора напряженности электрического поля. Является аналогом градиента (для векторов), показывает скорость изменения величины. Необходимость во введении дополнительной характеристики: векторное поле лишено градиента. Следовательно, для описания требуется некий аналог – дивергенция. Параметр в математической записи схож с градиентом, обозначается греческой буквой набла, применяется для векторных величин.
• Ротор векторного поля именуется вихрем. Физически величина равна нулю при равномерном изменении параметра. Если ротор отличен от нуля, возникают замкнутые изгибы линий. У потенциальных полей точечных зарядов по определению вихрь отсутствует. Не обязательно линии напряжённости в этом случае прямолинейны. Просто изменяются плавно, не образуя вихрей. Поле с ненулевым ротором часто называют соленоидальным. Часто применяется синоним – вихревое.
• Полный поток вектора представлен интегралом по поверхности произведения напряженности электрического поля на элементарную площадь. Предел величины при стремлении емкости тела к нулю представляет собой дивергенцию поля. Понятие предела изучается старшими классами средней школы, ученик может составить некоторое представление на предмет обсуждения.

Уравнения Максвелла описывают изменяющееся во времени электрическое поле и показывают, что в таких случаях возникает волна. Принято считать, одна из формул указывает отсутствие в природе обособленных магнитных зарядов (полюсов). Иногда в литературе встретим особый оператор – лапласиан. Обозначается как квадрат набла, вычисляется для векторных величин, представляет дивергенцией градиента поля.

Подобные аксиомы легко положим в основу описания процессов, происходящих в реальных существующих устройствах. Антигравитационный, вечный двигатель были бы неплохим подспорьем экономике. Если реализовать на практике теорию Эйнштейна никому не удалось, наработки Николы Тесла исследуются энтузиастами. Отсутствуют ротор, дивергенция.

Характеристики электростатического поля. Потенциал.

На любой заряд, находящийся в электростатическом поле действует сила. Следовательно, при движении этого заряда в поле совершается работа.
Причем, для электростатических полей работа по перемещению заряда из одной точки пространства в другую не зависит от того, по какой траектории происходит перемещение, а определяется лишь его начальным и конечным положениями. Такие поля называются потенциальными, а создающие их силы консервативными. Работа по перемещению заряда по замкнутому контуру в потенциальном поле равняется нулю.

Величина, равная работе, совершаемой полем по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2 называется разностью потенциалов.
A/q = f1 — f2 = U12.

Единица измерения разности потенциалов 1В = 1 Дж/1 Кл.
Разность потенциалов — это скалярная величина. Она является энергетической характеристикой электростатического поля. Зная разность потенциалов, можно рассчитать работу по перемещению заряда из точки 1 в точку 2.

A = q*(f1 — f2) = — q*Df.

Работу считаем положительной, если она совершается силами поля и отрицательной, если она совершается против сил поля.

Проследим связь между напряженностью электростатического поля и разностью потенциалов в случае однородного поля. Предположим, что заряд q перемещается вдоль силовых линий из точки 1 в точку 2. Работа сил электростатического поля равна:
A = F*Dx = q*E*Dx = — q*Df.

Следовательно, E = — Df/Dx. Это выражение справедливо и для любого другого способа  перемещения заряда.
В однородном поле напряженность E равна отношению разности потенциалов между двумя точками, к расстоянию между двумя точками вдоль направления силовых линий.
Работа — есть мера изменения энергии. Чтобы охарактеризовать каждую точку поля с энергетической точки зрения введем понятие потенциала точки поля. Потенциал численно равен работе, которую надо совершить чтобы переместить единичный положительный заряд из данной точки поля в точку с нулевым потенциалом.

В электротехнике отсчет потенциала производится относительно Земли (потенциал Земли принимают равным нулю), в радиотехнике — относительно металлического корпуса аппарата, в теоретической физике — относительно бесконечности.
Эквипотенциальные поверхности
Графическим изображением электростатического поля кроме линий напряженности служат эквипотенциальные поверхности — поверхности равного потенциала. Разность потенциалов между любыми двумя точками такой поверхности равна нулю, следовательно, равна нулю и работа электростатических сил при перемещении заряда по такой поверхности. Исходя из определения работы A = F*Dx*cos(a), последнее утверждение может иметь место только тогда, когда cos(a) = 0, т.е. направление перемещения перпендикулярно к действующей силе. Действительно, при наличии поля F не равняется нулю, а при перемещении Dx не равняется нулю.
Поскольку касательная к силовой линии совпадает по направлению с вектором напряженности (силы), то эквипотенциальные поверхности в любой точке перпендикулярны силовым линиям (см. рис. 3-5, эквипотенциальные поверхности показаны коричневым цветом, f = const).

Поле точечного заряда

Поле плоского конденсатора

Поле диполя

Чем теснее расположены эквипотенциальные поверхности, тем больше напряженность поля в данной точке пространства.

Электростатическое поле и его характеристики

Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле.  Электростатическое поле – особый вид материи. Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее. Электростатическое поле не изменяется во времени. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.  За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:                        или                                                                                                                                                                           Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий. Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке. Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (Силовые линии электростатических полей точечных зарядов.). Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).   Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее). Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей. Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным. Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов. Потенциал — энергетическая характеристика электрического поля. Потенциал — скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда. Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля.                φ = W / q где φ — потенциал в данной точке поля, W- потенциальная энергия заряда в данной точке поля. За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают  [φ] = В        (1В = 1Дж/Кл ) За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж. Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции: Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности: Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала. Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество. Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.

Физика | Методические указания

Физика | Методические указания

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

«Электростатика» рассматривает электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами. Такие поля называются электростатическими. Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле. Силовой характеристикой электростатического поля является напряжённость – векторная физическая величина, определяемая силой, действующей на единичный положительный (пробный) заряд, помещённый в исследуемую точку поля,

Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал — скалярная физическая величина, определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда, помещённого в исследуемую точку поля,

Электростатическое поле изображают с помощью силовых линий (линий напряженности ) и с помощью эквипотенциальных поверхностей (поверхностей равного потенциала ).

При помещении диэлектрика во внешнее электростатическое поле он поляризуется т.е. приобретает дипольный момент. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются поляризованностью — векторной физической величиной, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика,

Вектор напряженности , переходя через границу двух диэлектриков претерпевает скачкообразное изменение, создавая тем самым неудобства при расчете электростатических полей. Поэтому вводят дополнительную (помимо) характеристику — вектор электрического смещения .

Графически поле в диэлектрике изображается как с помощью линий вектора напряженности , так и с помощью линий вектора электрического смещения . Отличие заключается только в том, что линии вектора Е могут начинаться и заканчиваться на любых (свободных и связанных) зарядах, а линии вектора — лишь на свободных (сторонних) зарядах.

Помещение проводника во внешнее электростатическое поле вызывает искажение последнего: линии поля проводника становятся перпендикулярными его поверхности. Величина напряженности определяется поверхностной плотностью зарядов.

Поверхностные заряды на проводнике перераспределяются до тех пор, пока поле индуцированных зарядов не скомпенсирует внешнее поле внутри проводника. Поэтому электростатическое поле внутри проводника отсутствует, а весь объем проводника является эквипотенциальным.

Взаимодействие двух точечных неподвижных зарядов описывается законом Кулона. Величина кулоновской силы определяется формулой

где — сила взаимодействия между точечными зарядами и ;

— расстояние между ними;

— диэлектрическая проницаемость среды;

— электрическая постоянная.

Сила является силой притяжения, если взаимодействующие заряды имеют разные знаки; и силой отталкивания, если они – одноименные.

Для решения задач удобно использовать объемную, поверхностную и линейную плотности заряда:

;      ;     .

Потоком

вектора напряжённости электростатического поля через произвольную поверхность называется интеграл вида

, где ; — элементарная площадка; — нормаль к ней; — проекция вектора напряженности на направление нормали.

Напряженность электростатического поля, образованного несколькими зарядами (или электрическим зарядом, распределенным по некоторому телу) рассчитывается с помощью принципа суперпозиции:

— для дискретного распределения зарядов, где — напряжённость поля, создаваемого — зарядом в данной точке поля;

— для непрерывного распределения заряда (интегрирование ведется по объему заряженного тела), где — напряженность поля, создаваемого элементарным зарядом в данной точке пространства.

В том случае, когда известна конфигурация поля заряженного тела, при решении задач целесообразно использовать теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора напряженности электростатического поля в вакууме сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов заключенных внутри этой поверхности, деленной на :

— для непрерывного распределения заряда по объёму V;

— для дискретного распределения зарядов внутри замкнутой поверхности .

Напряженность поля, создаваемого равномерно заряженной (с поверхностной плотностью заряда ) бесконечной плоскостью, определяется как

,

где – диэлектрическая проницаемость среды, в которой находится заряженная плоскость. В этом случае электростатическое поле является однородным, т.к. его напряженность не зависит от расстояния до плоскости.

Напряженность поля, создаваемого двумя бесконечными параллельными разноименно заряженными плоскостями с одинаковой по модулю поверхностной плотностью зарядов, выглядит следующим образом:

Такой вид поля реализуется в плоском конденсаторе. Сила, действующая на заряд, помещенный в любую точку данного поля – одинакова, т.е. поле, как и в предыдущем случае, является однородным.

Напряженность поля, создаваемого равномерно заряженной сферической поверхностью в окружающем ее пространстве рассчитывается

также, как напряженность поля точечного заряда; внутри сферы электростатическое поле отсутствует:

где — радиус сферы, — заряд на ее поверхности; — расстояние от центра сферы до исследуемой точки поля.

Напряженность поля, создаваемого равномерно заряженным (с линейной плотностью заряда ) бесконечным цилиндром,

Электростатическое поле цилиндра обладает аксиальной симметрией. Силовые линии поля перпендикулярны боковой поверхности цилиндра.

Электростатическое поле является потенциальным: работа кулоновских сил по перемещению заряда не зависит от формы траектории последнего, а определяется только положением начальной и конечной точек. Если перемещать заряд по замкнутой траектории, то работа полем не совершается.

Циркуляция вектора напряженности электростатического поля вдоль (замкнутого) контура также равна нулю:

Напряженность и потенциал – две характеристики электростатического поля. Поскольку обе они относятся к одному и тому же физическому объекту – электростатическому полю, – то между ними существует определенная связь.

Связь между потенциалом электростатического поля и его напряженностью:

где

Знак «минус» показывает, что вектор направлен в сторону убывания потенциала.

Для описания электростатического поля в диэлектриках пользуются понятием электрического диполя – системы двух равных по модулю разноименных электрических зарядов, расположенных на расстоянии l.

Электрический момент диполя (дипольный момент): где — электрический заряд; l – плечо диполя. В электростатическом поле диэлектрик поляризуется. Количественной характеристикой степени поляризации является поляризованность. Вектор поляризованности определен выше.

Между поляризованностью вещества и напряженностью электростатического поля в изотропном диэлектрике существует связь, выражаемая формулой,

æ,

где æ — диэлектрическая восприимчивость вещества, определяемая как

æ

Диэлектрическая проницаемость e показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет внешнее поле. Для более рационального описания электростатического поля в диэлектрике вводят вектор электрического смещения:

.

Теорема Гаусса для электростатического поля в диэлектрике: поток вектора смещения электростатического поля в диэлектрике сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности свободных электрических зарядов:

— для дискретного распределения зарядов внутри замкнутой поверхности ;

— для непрерывного распределения заряда по объёму .

Таким образом, электростатическое поле в диэлектрике характеризуется тремя физическими величинами , и . Связь между векторами электрического смещения , поляризованности и напряженности электростатического поля для изотропного диэлектрика задается формулой

.

Вектор электрического смещения определяется объемной плотностью сторонних зарядов в диэлектрике:

где ;

– проекции вектора на координатные оси.

Вектор определяется объемной плотностью связанных зарядов в диэлектрике:

На границе раздела сред с различными диэлектрическими проницаемостями линии векторов и испытывают преломление:

;     ;      ,

где и — поверхностные плотности сторонних и связанных зарядов;

— нормаль к поверхности раздела, направленная из первой среды во вторую;

— орт, касательный к поверхности;

и – диэлектрические проницаемости первой и второй среды соответственно.

У поверхности заряженного проводника в вакууме касательная и нормальная составляющая вектора определяется формулами:

,     ,

а внутри проводника электрическое поле отсутствует.

Уединенный проводник обладает электрической емкостью:

,

где — заряд проводника, – его потенциал.

Два разноименно заряженных проводника, между которыми помещен слой диэлектрика, образуют конденсатор. Конденсаторы различной формы обладают различной электрической емкостью. Электрическая емкость конденсаторов:

плоского –

,

где — площадь одной из пластин;

— расстояние между пластинами;

цилиндрического –

,

где — длина конденсатора;

и — внутренний и внешний радиусы обкладок конденсатора соответственно;

сферического –

,

где и — внутренний и внешний радиусы обкладок конденсатора соответственно.

Для варьирования емкости конденсаторы соединяют в батареи.

Электрическая ёмкость параллельно соединенных конденсаторов рассчитывается как

.

Электрическая ёмкость последовательно соединенных конденсаторов рассчитывается как

.

Любое заряженное тело и электростатическое поле, им созданное, обладают энергией. Энергия заряженного уединенного проводника рассчитывается по формулам:

,

где — заряд проводника; — его потенциал; — емкость проводника.

Электростатическое поле заряженного конденсатора обладает энергией

,

где — емкость конденсатора, заряд на его обкладках и разность потенциалов между ними.

Энергия, приходящаяся на единицу объема, называется объемной плотностью энергии электростатического поля и рассчитывается по формуле

;

все величины, входящие в формулу, определены выше.

Электрический потенциал | Электричество | Облепиха

Если напряженность является силовой характеристикой электрического поля, то потенциал является его энергетической характеристикой: он показывает, какой энергией будет обладать любой заряд, помещенный в зоне действия того или иного поля. Но обо всем по порядку.

Давайте представим себе , что мы подняли груз массой m на высоту h.

Можно сказать, что мы, во-первых, совершили некоторую механическую работу над телом, а во-вторых, сообщили объекту какую-то потенциальную энергию: если отпустить его, он полетит вниз и сам уже сможет совершить какую-то работу, например, приведет в действие маленькую катапульту.

Что в данном случае разгоняет груз и сообщает ему кинетическую энергию? Сила тяжести. А откуда берется эта сила тяжести? Ну, она является проявлением гравитационного поля, создаваемого нашей планетой.

Теперь мы можем представить уже не поверхность Земли с поднятым над ней грузом, а две очень длинные разноименно заряженные металлические пластины, параллельные друг другу. Пусть каждая из них имеет заряд величиной Q.

Эти пластины нужны нам в связи с тем, что будут генерировать однородное электрическое поле, то есть такое поле, у которого вектор напряженности не будет меняться ни по направлению, ни по величине.

Допустим, что в непосредственной близи от нижней пластины оказывается пробный электрический заряд q. В нашем случае это может быть крошечный положительно заряженный металлический шарик.

Пусть мы, прикладывая к заряду некоторую силу, равномерно переместили его вверх на расстояние d.

Совершенная нами в итоге работа будет определяться уже упомянутым расстоянием d и напряженностью, так как именно она характеризует силу электрического поля, против которого мы действовали:

A=Ed

Студенту на заметку

Если бы заряд находился первоначально вблизи положительно заряженной пластины, то со стороны электрического поля на него бы действовала сила, направленная строго вниз. По величине эта сила была бы равна произведению напряженности и величины пробного заряда (это следует из определения напряженности):

\boxed{F=qE}

Работу по перемещению пробного заряда, которую бы совершило в данном случае электрическое поле, называют напряжением. Это скалярная величина. Она измеряется в вольтах (В) и обычно обозначается буквой U. Формула для расчета напряжения идентична формуле расчета работы, которую так или иначе придется совершить для перемещения заряда, находящегося в электрическом поле:

\boxed{U=Ed}

В то же время, самостоятельно совершая работу по перемещению заряда, находящегося в электрическом поле, мы тем самым сообщаем ему какую-то энергию. Если мы отпустим наш положительно заряженный шарик, он помчится обратно вниз (давайте представим, что дело происходит в невесомости, и на гравитацию нельзя свалить такое происшествие), приобретая все большую и большую кинетическую энергию, пока наконец не доберется до отрицательно заряженной пластины. То же самое происходит и с обычным грузом, который сначала поднимают на некоторую высоту, а затем отпускают.

В любом случае кинетическая энергия не может взяться из ниоткуда. У заряженного шарика из нашего примера в тот момент, когда мы его только отпустили, должна быть некоторая потенциальная энергия. Ее мы будем обозначать буквой W. Она определяется по следующей формуле:

W=k\dfrac{Qq}{r}

Как видите, потенциальная энергия заряда в электрическом поле будет определяться не только мощью поля, создаваемого зарядом Q, но и величиной самого пробного заряда, который нас не очень-то интересует. Следует взять такую физическую величину, которая характеризовала бы лишь энергию поля и была бы его неотъемлемой особенностью.

Такой величиной является потенциал. Он измеряется в джоулях на кулон, иначе – в вольтах, обозначается буквой \varphi и рассчитывается следующим образом:

\boxed{\varphi=\dfrac{W}{q}=k\dfrac{Q}{r}}

Где r – это расстояние от помещаемого в поле заряда до условно выбранного нулевого уровня, который в нашем примере логично соотнести с отрицательно заряженной пластиной.

38.Энергетическая характеристика электростатического поля — потенциал. Потенциал поля точечного заряда и системы зарядов. Связь между напряженностью электрического поля и потенциалом.

Энергетическая характеристика электростатического поля — потенциал

потенциа́л— скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. Единицей измерения потенциала является, таким образом, единица измерения работы, деленная на единицу измерения заряда.

потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда:

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:

Для установления связи между силовой характеристикой электрического поля — напряжённостью и его энергетической характеристикой — потенциаломрассмотрим элементарную работу сил электрического поля на бесконечно малом перемещении точечного заряда q: dA = q E dl, эта же работа равна убыли потенциальной энергии заряда q: dA = — dWп = — q d, где d — изменение потенциала электрического поля на длине перемещения dl. Приравнивая правые части выражений, получаем: E dl = -d или в декартовой системе координат

Ex dx + Ey dy + Ez dz = -d(фи)

где Ex, Ey, Ez — проекции вектора напряженности на оси системы координат. Поскольку выражение (1.8) представляет собой полный дифференциал, то для проекций вектора напряженности имеем

откуда

Стоящее в скобках выражение является градиентом потенциала j, т. е.

E = — grad = -Ñ.

Напряжённость в какой-либо точке электрического поля равна градиенту потенциала в этой точке, взятому с обратным знаком. Знак «минус» указывает, что напряженность E направлена в сторону убывания потенциала. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое положительным точечным зарядом q (рис. 1.6). Потенциал поля в точке М, положение которой определяется радиус-вектором r, равен = q / 4pe0er. Направление радиус-вектора r совпадает с направлением вектора напряженности E, а градиент потенциала направлен в противоположную сторону. Проекция градиента на направление радиус-вектора

Проекция же градиента потенциала на направление вектора t, перпендикулярного вектору r, равна

т. е. в этом направлении потенциал электрического поля является постоянной величиной ( = const).

В рассмотренном случае направление вектора r совпадает с направлением

силовых линий. Обобщая полученный результат, можно утверждать, что во всех точках кривой, ортогональной к силовым линиям, потенциал электрического поля одинаков. Геометрическим местом точек с одинаковым потенциалом является эквипотенциальная поверхность, ортогональная к силовым линиям.

При графическом изображении электрических полей часто используют эквипотенциальные поверхности. Обычно эквипотенциали проводят таким образом, чтобы разность потенциалов между любыми двумя эквипотенциальными поверхностями была одинакова. На рис. 1.7 приведена двухмерная картина электрического поля. Силовые линии показаны сплошными линиями, эквипотенциали — штриховыми.

Подобное изображение позволяет сказать, в какую сторону направлен вектор напряжённости электрического поля; где напряжённость больше, где меньше; куда начнёт двигаться электрический заряд, помещённый в ту или иную точку поля. Так как все точки эквипотенциальной поверхности находятся при одинаковом потенциале, то перемещение заряда вдоль нее не требует работы. Это значит, что сила, действующая на заряд, все время перпендикулярна перемещению.

Электрическое поле | Что такое, характеристики, детали, история, типы, для чего это нужно, примеры

Физика

Электрическое поле — это любая пространственная область , где электрические заряды , которые могут быть положительными или отрицательными, связаны между собой в определенном пространстве. предел, являющийся электрическим полем, одновременно ограничивающим пространство в плоскости и пространство тела, заряженного электричеством . Сам по себе он не поддается измерению, но измеряется эффект, создаваемый электрическими зарядами внутри.В 1832 году Фарадей более подробно предложил идею электрического поля, чтобы продемонстрировать принцип электромагнитной индукции.

Что такое электрическое поле?

Электрическое поле определяется как сектор пространства , определяемый электрической силой, которая состоит из двух или более зарядов . Направление электрического поля зависит от направления силы, которое оно оказывает на положительный заряд. Он генерируется радиально по направлению к внешней стороне положительного заряда и радиально к внутренней части точечного заряда .

Части

• Величина (интенсивность): определяется как размер вектора, представляющий поле. Используется модель частиц, находящихся в электрическом поле.
• Направление : визуализируется осью, пересекающей частицы, и точкой в ​​пространстве, которая находится во взаимодействии.
• Sense : он определяется из ориентации линии, которая представляет величину, расположенную на оси, которая определяет направление электрического поля.
• Линии электрического поля или силовые линии : они определяются из воображаемых линий, которые нарисованы таким образом, что их направление в любой точке совпадает с направлением поля в этой точке. Они удаляются с положительными электрическими зарядами и удаляются с отрицательными электрическими зарядами.
• Сила : Электрическая сила — это набор, который существует между электрическими зарядами.

Характеристики электрического поля

Для правильной работы электрические поля должны иметь следующие характеристики:

• Они зависят исключительно от нагрузки, которая их генерирует.
• Электрическое поле существует только при обнаружении одного электрического заряда, второй или другие заряды не нужны для его обнаружения. Так же, как он существует, даже если груз не движется.
• Два или более электрических заряда взаимодействуют , которые могут быть положительными (+) или отрицательными (-). Противоположные заряды притягиваются, а одинаковые заряды отталкиваются.
• Визуализация линий в электрическом поле позволяет визуализировать величину и направление E.
• Напряженность или величина электрического поля измеряется в вольтах на метр (в / м). Уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.
• Источник энергии основан на электрическом напряжении.

История

Для понимания работы электричества в 18 веке, такие исследования, как Кулоновские, сосредоточены на электричестве, его внутреннем и внешнем функционировании и использовании в повседневном использовании. Установлено, что электрические заряды могут взаимодействовать на расстоянии между ними, а также массы против гравитационных сил .То есть масса или заряд могли необъяснимым образом, без какого-либо посредника, заметить присутствие другого в своем окружении.

Фарадей предлагает альтернативную интерпретацию , которая будет очень полезна, внося вклад в идею электрического поля, предложение о том, что: пространство, окружающее электрический заряд, зависит от его присутствия , поскольку оно изменяет его характеристики. В одной из своих попыток проверить свой подход Фарадей описывает его как невидимые щупальца, движущиеся от электрического заряда.

Таким образом, с того момента, как тело приобретает заряд, эта информация быстро распространяется в окружающей среде, фактически со скоростью света, и в конечном итоге может достичь другого заряда. Далее обсуждается взаимодействие между одним зарядом и другим, так как можно описать и изучить факт взаимодействия зарядов в поле, где он взаимодействует.

Для представления электрического поля используются силовые линии , которые будут векторами, которые оставляют положительные электрические заряды и переходят в отрицательные.Таким образом, указывается направление силы электрического поля, которое, в свою очередь, вызывает точечный и положительный заряд, называемый тестовым зарядом. Количество силовых линий было бы пропорционально напряженности электрического поля, поскольку при подсчете линий взаимодействия они очень близки, поле велико, а там, где они разделены, поле мало.

Такие исследователи, как Майкл Фарадей и более поздние исследования Джеймса Клерка Максвелла , позволили первые описания электрических явлений, например, закон Кулона, в котором учитывались только электрические заряды; затем разработать более полные законы, в которых изучается изменение поля.

Для чего нужно электрическое поле?

Электрическое поле служит для выделения взаимодействия заряженных частиц и для определения силы, действующей на заряд, находящийся в этой точке.

Единицы измерения электрического поля

В качестве единицы измерения напряженности или величины электрического поля используется вольт на метр (в / м).

Закон Кулона может использоваться в случае электрических полей, потому что он устанавливает, как сила между двумя точечными электрическими зарядами, являясь точечным электрическим зарядом, зарядом, который расположен в геометрической точке на пространственном уровне.Помня, что он будет использоваться в определенных случаях, учитывая, что эти заряды должны находиться в состоянии покоя, генерируя электростатику. Этот закон изучает взаимодействие между электрическими зарядами, которые особенно малы по сравнению с расстоянием между ними.

Формула

Формула для расчета электрического поля выглядит следующим образом:

Где E — напряженность электрического поля, F — сила и q — нагрузка .

Типы

Существует трех типов электрических полей. Первый создается распределением заряда и известен как электростатическое поле . Второй и третий связаны с двумя типами магнитной индукции , один создается пространственным перемещением относительно магнитного потока, а другой создается за счет времени соединения , которое изменяет магнитный поток.

Равномерное электрическое поле

Электрическое поле состоит из пространственной зоны, в которой взаимодействуют электрические заряды одинаковой величины, значения и направления.Например, при наличии двух заряженных параллельных пластин электрическое поле будет ориентировано от пластины с положительным электрическим зарядом к пластине с отрицательным зарядом, в результате чего вектор не изменится.

Примеры

• Электрические лампы : Электрическая лампа, подключенная к току через электрический кабель, способна генерировать электрические поля в воздухе, окружающем это устройство. Чем выше напряжение, тем больше напряженность электрического поля. Напряжение может существовать даже при отсутствии активного электрического тока, поскольку не требуется, чтобы электроприбор был активен для создания вокруг него электрического поля.
• Радио и телевидение передающие и приемные антенны : от передающего устройства радиостанции к обычному радио сообщение передается через электрическое поле, которое создается антеннами, которые захватывают информацию и передают ее. Его наиболее распространенная форма — металлический стержень. Каждая радиостанция имеет определенную частоту, которая генерирует разные электрические поля, работа определяется периодическим движением зарядов электрической энергии, которые перемещаются от одного конца к другому, генерируя на одном конце антенны избыток отрицательного заряда, а на другом. конец, генерирует дефицит положительного заряда, меняются с одного конца на другой, генерируя полярность.

Написано Габриэлой Брисеньо В.

Учебное пособие по физике: электрические поля и проводники

Ранее мы показали в Уроке 4, что любой заряженный объект — положительный или отрицательный, проводник или изолятор — создает электрическое поле, которое пронизывает окружающее его пространство. В случае с проводниками есть множество необычных характеристик, о которых мы могли бы подробнее рассказать. Вспомните из Урока 1, что проводник — это материал, который позволяет электронам относительно свободно перемещаться от атома к атому.Было подчеркнуто, что, когда проводник приобретает избыточный заряд, избыточный заряд перемещается и распределяется по проводнику таким образом, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания внутри проводника. Мы рассмотрим это более подробно в этом разделе Урока 4, когда познакомимся с идеей электростатического равновесия. Электростатическое равновесие — это состояние, устанавливаемое заряженными проводниками, в котором избыточный заряд оптимально удален, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания.Как только заряженный проводник достигает состояния электростатического равновесия, дальнейшее движение заряда по поверхности прекращается.

Электрические поля внутри заряженных проводников

Заряженные проводники, достигшие электростатического равновесия, обладают рядом необычных характеристик. Одной из характеристик проводника в электростатическом равновесии является то, что электрическое поле в любом месте под поверхностью заряженного проводника равно нулю.Если бы электрическое поле действительно существовало под поверхностью проводника (и внутри него), то электрическое поле оказывало бы силу на все электроны, которые там присутствовали. Эта результирующая сила начнет ускорять и перемещать эти электроны. Но объекты, находящиеся в состоянии электростатического равновесия, больше не имеют движения заряда по поверхности. Так что, если бы это произошло, то первоначальное утверждение, что объект находился в состоянии электростатического равновесия, было бы ложным. Если электроны внутри проводника приняли состояние равновесия, то результирующая сила, действующая на эти электроны, равна нулю.Силовые линии электрического поля либо начинаются, либо заканчиваются на заряде, а в случае проводника заряд существует только на его внешней поверхности. Линии идут от этой поверхности наружу, а не внутрь. Это, конечно, предполагает, что наш проводник не окружает область пространства, где был другой заряд.

Чтобы проиллюстрировать эту характеристику, давайте рассмотрим пространство между двумя концентрическими проводящими цилиндрами разного радиуса и внутри них, как показано на диаграмме справа.Внешний цилиндр заряжен положительно. Внутренний цилиндр заряжен отрицательно. Электрическое поле вокруг внутреннего цилиндра направлено в сторону отрицательно заряженного цилиндра. Поскольку этот цилиндр не окружает область пространства, где есть другой заряд, можно сделать вывод, что избыточный заряд находится исключительно на внешней поверхности этого внутреннего цилиндра. Электрическое поле внутри внутреннего цилиндра было бы нулевым. При рисовании силовых линий электрического поля линии будут проводиться от внутренней поверхности внешнего цилиндра к внешней поверхности внутреннего цилиндра.Что касается избыточного заряда на внешнем цилиндре, нужно учитывать не только силы отталкивания между зарядами на его поверхности. Хотя избыточный заряд на внешнем цилиндре стремится уменьшить силы отталкивания между его избыточным зарядом, он должен уравновесить это с тенденцией притяжения к отрицательным зарядам на внутреннем цилиндре. Поскольку внешний цилиндр окружает заряженную область, характеристика заряда, находящегося на внешней поверхности проводника, не применяется.

Эта концепция нулевого электрического поля внутри замкнутой проводящей поверхности была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, физиком 19 века, который продвигал полевую теорию электричества.Фарадей построил комнату внутри комнаты, накрыв внутреннюю комнату металлической фольгой. Он сидел во внутренней комнате с электроскопом и заряжал поверхности внешней и внутренней комнаты с помощью электростатического генератора. Хотя между стенами двух комнат летели искры, во внутренней комнате не было обнаружено электрического поля. Избыточный заряд на стенах внутренней комнаты полностью приходился на внешнюю поверхность комнаты. Сегодня эта демонстрация часто повторяется на показах физики в музеях и университетах.

Внутренняя комната с проводящей рамкой, которая защищала Фарадея от статического заряда, теперь называется клеткой Фарадея . Клетка служит для защиты всех, кто находится внутри, от воздействия электрических полей. Любая закрытая проводящая поверхность может служить клеткой Фарадея, защищая все, что она окружает, от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Этот принцип экранирования широко используется сегодня, поскольку мы защищаем хрупкое электрическое оборудование, заключая его в металлические корпуса.Даже хрупкие компьютерные микросхемы и другие компоненты поставляются внутри проводящей пластиковой упаковки, которая защищает микросхемы от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Это еще один пример «Физики для лучшей жизни».

Электрические поля перпендикулярны заряженным поверхностям

Вторая характеристика проводников в электростатическом равновесии состоит в том, что электрическое поле на поверхности проводника направлено полностью перпендикулярно поверхности.Не может быть компонента электрического поля (или электрической силы), параллельного поверхности. Если проводящий объект имеет сферическую форму, это означает, что перпендикулярные векторы электрического поля выровнены с центром сферы. Если объект имеет неправильную форму, то вектор электрического поля в любом месте перпендикулярен касательной линии, проведенной к поверхности в этом месте.

Понимание того, почему эта характеристика верна, требует понимания векторов, силы и движения.Движение электронов, как и любого физического объекта, подчиняется законам Ньютона. Одним из результатов законов Ньютона было то, что несбалансированные силы заставляют объекты ускоряться в направлении несбалансированной силы, а баланс сил заставляет объекты оставаться в равновесии. Эта истина составляет основу того, почему электрические поля должны быть направлены перпендикулярно поверхности проводящих объектов. Если бы существовала составляющая электрического поля, направленная параллельно поверхности, то избыточный заряд на поверхности приводил бы в ускоренное движение этой составляющей.Если заряд приводится в движение, то объект, на котором он находится, не находится в состоянии электростатического равновесия. Следовательно, электрическое поле должно быть полностью перпендикулярно проводящей поверхности для объектов, находящихся в электростатическом равновесии. Конечно, проводящий объект, который недавно приобрел избыточный заряд, имеет компонент электрического поля (и электрической силы), параллельный поверхности; именно этот компонент воздействует на вновь приобретенный избыточный заряд, распределяя избыточный заряд по поверхности и устанавливая электростатическое равновесие.Но как только оно достигнуто, больше нет ни параллельной составляющей электрического поля, ни движения избыточного заряда.

Электрические поля и кривизна поверхности

Третьей характеристикой проводящих объектов в электростатическом равновесии является то, что электрические поля наиболее сильны в местах вдоль поверхности, где объект наиболее изогнут. Кривизна поверхности может варьироваться от абсолютной плоскостности на одном конце до изгиба до тупой точки на другом конце.

Плоское место не имеет кривизны и характеризуется относительно слабыми электрическими полями. С другой стороны, затупленная точка имеет высокую степень кривизны и характеризуется относительно сильными электрическими полями. Сфера имеет одинаковую форму с одинаковой кривизной во всех точках ее поверхности. Таким образом, напряженность электрического поля на поверхности сферы везде одинакова.

Чтобы понять причину этой третьей характеристики, мы рассмотрим объект неправильной формы, который заряжен отрицательно.У такого объекта избыток электронов. Эти электроны будут распределяться таким образом, чтобы уменьшить действие их сил отталкивания. Поскольку электростатические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, эти электроны будут стремиться позиционировать себя так, чтобы увеличивать свое расстояние друг от друга. На сфере правильной формы максимальное расстояние между всеми соседними электронами будет одинаковым. Но на объекте неправильной формы избыточные электроны будут накапливаться с большей плотностью в местах наибольшей кривизны.Рассмотрим диаграмму справа. Электроны A и B расположены вдоль более плоского участка поверхности. Как и все электроны с хорошим поведением, они отталкиваются друг от друга. Силы отталкивания направлены вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом, в результате чего сила отталкивания в основном параллельна поверхности. С другой стороны, электроны C и D расположены вдоль участка поверхности с более резкой кривизной. Эти избыточные электроны также отталкиваются друг от друга с силой, направленной вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом.Но теперь сила направлена ​​под более острым углом к ​​поверхности. Составляющие этих сил, параллельные поверхности, значительно меньше. Большая часть силы отталкивания между электронами C и D направлена ​​перпендикулярно поверхности.

Параллельные компоненты этих сил отталкивания заставляют избыточные электроны перемещаться по поверхности проводника. Электроны будут двигаться и распределяться, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. По достижении, равнодействующая всех параллельных компонентов на любом данном избыточном электроне (и на всех избыточных электронах) будет в сумме равняться нулю.Все параллельные компоненты силы, действующие на каждый из электронов, должны быть равны нулю, поскольку результирующая сила, параллельная поверхности проводника, всегда равна нулю (вторая характеристика, обсуждаемая выше). Для того же расстояния разделения параллельная составляющая силы является наибольшей в случае электронов A и B. Таким образом, чтобы достичь этого баланса параллельных сил, электроны A и B должны дистанцироваться друг от друга дальше, чем электроны C и D. Электроны C и D, с другой стороны, могут сближаться друг с другом в месте своего расположения, поскольку параллельная составляющая сил отталкивания меньше.В конце концов, относительно большое количество заряда скапливается в местах наибольшей кривизны. Это большее количество заряда в сочетании с тем фактом, что их силы отталкивания в основном направлены перпендикулярно поверхности, приводит к значительно более сильному электрическому полю в таких местах с повышенной кривизной.

Тот факт, что поверхности с резкими изгибами до тупой кромки создают сильные электрические поля, является основным принципом использования громоотводов.В следующем разделе Урока 4 мы исследуем явление разряда молнии и использование громоотводов для предотвращения ударов молнии.

Мы хотели бы предложить … Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Положите заряд в цель» и / или интерактивного интерфейса «Электростатические пейзажи».Оба интерактивных компонента можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба Interactives предоставляют увлекательную среду для изучения электрических полей и действий на расстоянии.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Предположим, что сфера генератора Ван де Граафа собирает заряд.Затем двигатель выключают, и сфере дают возможность достичь электростатического равновесия. Заряд ___.

а. находится как на поверхности, так и во всем объеме

г. находится в основном внутри сферы и выходит наружу только при прикосновении

г. находится только на поверхности сферы

2.Опишите напряженность электрического поля в шести отмеченных местах заряженного объекта неправильной формы справа. Используйте в описании фразы «ноль», «относительно слабый», «умеренный» и относительно сильный ».

3. Справа показана схема заряженного проводника неправильной формы. Обозначены четыре точки на поверхности — A, B, C и D.Расположите эти места в порядке возрастания силы их электрического поля, начиная с наименьшего электрического поля.

4. Рассмотрите схему кнопки, показанную справа. Предположим, что канцелярская кнопка заряжается положительно. Нарисуйте линии электрического поля вокруг кнопки.

См. Схему силовых линий электрического поля.

5.Изобразите линии электрического поля для следующей конфигурации двух объектов. Разместите стрелки на линиях поля.

См. Схему силовых линий электрического поля.

6. Любимая демонстрация физики, используемая с генератором Ван де Граафа, включает в себя медленное приближение к куполу с протянутой к устройству скрепкой для бумаг. Почему демонстратор не поджаривается при приближении к машине с торчащим вперед тупым краем скрепки?

7. ИСТИНА или ЛОЖЬ :

Громоотводы устанавливаются на дома, чтобы защитить их от молнии. Они работают, потому что электрическое поле вокруг молниеотводов слабое; таким образом, существует небольшой поток заряда между громоотводами / домом и заряженными облаками.

Схема линий электрического поля

для вопроса № 4:

Приведенная выше диаграмма не была создана программой Field Plotting; это, безусловно, выглядело бы лучше, если бы это было так.Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:

• Силовые линии электрического поля должны быть направлены от положительно заряженной кнопки к краям страницы. На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление.
• Все силовые линии электрического поля должны быть перпендикулярны поверхности кнопки в местах пересечения линий и кнопки.
• Должно быть больше линий на заостренном конце кнопки и двух резко изогнутых участках и меньше линий на более плоских участках кнопки.

Вернуться к вопросу №4

Схема линий электрического поля

для вопроса № 5:

Еще раз, приведенная выше диаграмма не была создана программой для построения полей; это, вероятно, выглядело бы лучше, если бы это было так.Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:

• Линии поля должны быть направлены от + к — или от края страницы к — или от + к краю страницы. На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление.
• На поверхности любого объекта силовые линии должны быть направлены перпендикулярно поверхности.
• На резко изогнутых и заостренных поверхностях объектов должно быть больше линий и меньше линий на более плоских участках.

Вернуться к вопросу № 5

Электрический потенциал

— обзор

1.4.4 Обмотки низкого напряжения

Хотя точные детали расположения обмоток различаются в зависимости от номинала трансформатора, общие принципы остаются неизменными для большинства трансформаторов для электростанций и поэтому при описании этих обмоток удобно рассматривать конкретные случаи.Читателю также полезно иметь возможность соотносить данные описания с практическими ситуациями.

Обычно трансформатор электростанции рассчитан на соответствие соответствующему низковольтному распределительному устройству. При 11 кВ, 3,3 кВ и 415 В номинальные параметры распределительного устройства увеличиваются до примерно 3000 А. Следовательно, для обмотки низкого напряжения (НН) большинства трансформаторов это порядок тока. (Конечно, существуют трансформаторы, выходящие за пределы этого диапазона; для генераторного трансформатора мощностью 600 МВА ток низкого напряжения составляет порядка 15000 А.)

Соотношение напряжений обычно таково, что ток в обмотке высокого напряжения (ВН) на порядок ниже этого значения, скажем, примерно до 300 А. В большинстве маслонаполненных трансформаторов плотность тока составляет примерно 2 и 4 А / мм ² , так что сечение проводника на обмотке НН имеет порядок, скажем, 50 мм × 20 мм, а на обмотке ВН, скажем, 12 мм × 8 мм. Как объясняется в разделе 1.3.1 этой главы, напряжение на виток трансформатора зависит от площади поперечного сечения сердечника или размера сердечника.Используемый размер корпуса зависит от номинала трансформатора, но, поскольку по мере увеличения номинала класс напряжения также имеет тенденцию к увеличению, вольт на виток обычно дает обмотку низкого напряжения с сотней или около того витков и обмотку высокого напряжения с тысячей или около того. более. На практике фактические размеры проводов и количество используемых витков зависят от множества факторов и поэтому могут сильно отличаться от приведенных выше значений. Они цитируются как указание на различные проблемы при проектировании обмоток низкого и высокого напряжения.В первых требуется небольшое количество витков проводника большого сечения; в другом — гораздо большее количество витков, но с гораздо более управляемым поперечным сечением, и именно эти факторы определяют типы используемых обмоток.

Обмотка НН обычно располагается ближе всего к сердечнику, за исключением случаев, когда трансформатор имеет третичную обмотку (которая обычно имеет более низкое напряжение), и в этом случае третичная обмотка будет занимать это положение:

•

Обмотка НН имеет меньшее испытательное напряжение и, следовательно, легче изолировать от заземленной жилы.

•

Любые ответвления на трансформаторе, скорее всего, будут на обмотке ВН (см. Ниже), так что обмотки НН будут иметь выводы только в начале и в конце, и их можно легко разместить наверху и низ ноги.

Обмотка низкого напряжения обычно наматывается на трубку из изоляционного материала, и это почти всегда бумага, связанная синтетической смолой (SRBP). Этот материал обладает высокой механической прочностью и способен выдерживать высокие нагрузки, которые он испытывает при намотке больших катушек с медным сечением, используемых для обмоток низкого напряжения.В электрическом отношении он, вероятно, будет иметь достаточную диэлектрическую прочность, чтобы выдерживать относительно небольшое испытательное напряжение, приложенное к обмотке низкого напряжения без какой-либо дополнительной изоляции.

Около сотни витков обмотки НН намотаны простой спиралью с использованием трубки в качестве каркаса, так что общее количество витков занимает общую длину обмотки, хотя иногда, например, если эта обмотка должна быть подключена в Interstar, витки могут быть расположены в два спиральных слоя, так что два набора концов обмотки доступны в верхней и нижней части стойки.

Между основной трубкой обмотки и проводником обмотки размещены осевые изоляционные полосы, образующие канал для потока охлаждающего масла. Эти полосы обычно имеют поперечное сечение «ласточкин хвост» (рис. 3.15), так что прокладки между витками намотки могут быть навинчены на них во время намотки. Осевые полосы обычно имеют толщину не менее 8 мм, а радиальные прокладки — 4 мм. Радиальные охлаждающие каналы, образованные прокладками, расположены между каждым витком или каждыми двумя витками, или даже, в некоторых случаях, разделяют каждый виток на полувитки.

Аэродинамическая генерация электрических полей в турбулентности, нагруженной заряженными инерционными частицами

Характерные безразмерные параметры

В этом разделе дается качественное описание состава дисперсной фазы и связанных безразмерных параметров. Количественные описания, а также более подробные объяснения составов для обеих фаз обсуждаются в разделе «Методы».

Чтобы понять физические процессы, участвующие в генерации электрических полей в настоящей работе, удобно сначала обозначить некоторые конкретные ограничения, используемые при моделировании.Например, рассматриваемые здесь частицы пыли малы по сравнению с мельчайшими турбулентными вихрями, поэтому \ (a _ {\ mathrm {p}} {\ mathrm {/}} \ ell _ {\ mathrm {k}} \ ll 1 \), где \ (\ ell _ {\ mathrm {k}} \) — длина Колмогорова, а a _p — радиус частицы. Рассмотрены два класса частиц, которые имеют разные диаметры в зависимости от знака заряда, причем положительно заряженные частицы больше, чем отрицательно заряженные: a ₊ > a _— .{- 3/4} \ ll 1 \), где \ (u_ \ ell \) интегральная пульсационная скорость и ν кинематическая вязкость. Кроме того, предполагается, что плотность пылевых частиц ρ _p , которые обычно состоят из диоксида кремния ¹² , намного больше, чем плотность газа-носителя ρ , а именно \ (\ rho _ {\ mathrm {p}} {\ mathrm {/}} \ rho \ gg 1 \). Воздействием частиц на несущую фазу можно пренебречь, поскольку коэффициенты массового нагружения, используемые в моделировании для обоих классов частиц, \ (\ alpha = (4 {\ mathrm {/}} 3) \ pi \ rho _ {\ mathrm {p}} n_0a _ {\ mathrm {p}} ^ 3 {\ mathrm {/}} \ rho \), намного меньше единицы, при этом n ₀ средняя числовая плотность частиц, которая такая же для обоих классов.3 \ frac {{{\ mathrm {d}} {\ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}}}} {{{\ mathrm {d}} t}} = 6 \ pi {\ mu} a_ {\ mathrm {p}} ({\ mathbf {u}} — {\ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}}) + {\ mathbf {F}} _ {\ mathrm {p}}, \ quad {\ mathrm {p}} = 1, \ ldots, N, $$

(1)

для каждой частицы, жирные символы обозначают векторы. В уравнении. (1), μ, — динамическая вязкость, а

$$ {\ mathbf {F}} _ {\ mathrm {p}} = q _ {\ mathrm {p}} {\ mathbf {E}} _ { \ mathrm {p}} $$

(2)

— электрическая сила, действующая на p-ю частицу, где q _p — заряд частицы и E _p электрическое поле, внутренне генерируемое окружающими частицами при x _p .В частности, два значения электрического заряда, обозначенные как q _— и q ₊ , используются для малых и больших частиц, соответственно, которые равны по величине, но противоположны по знаку ( q ₊ = — q _— ), таким образом, что частицы образуют электронейтральную систему в среднем, n ₀ q ₊ + n ₀ q _— = 0, и чистый поток электрического поля через границы равен нулю.Кроме того, u _p и u — это скорость частицы и локальная скорость жидкости, соответственно. В частности, u _p связано с положением частицы x _p через уравнение траектории

$$ {\ mathrm {d}} {\ mathbf {x}} _ {\ mathrm {p}} {\ mathrm {/}} {\ mathrm {d}} t = {\ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}}, \ quad {\ mathrm {p}} = 1, \ ldots, N. $

(3)

После нормализации d u _p / d t , u — u _p и F _p , безразмерная версия уравнения.(1) предоставляет полезную информацию следующим образом. Рассмотрим безразмерную скорость скольжения u — u _p со скоростью пульсаций колмогоровских вихрей u _k и ускорение частиц d u _p / d t с ускорение вихрей Колмогорова u _k / t _k , где \ (t _ {\ mathrm {k}} = \ ell _ {\ mathrm {k}} {\ mathrm {/}} u_ { \ mathrm {k}} = \ ell _ {\ mathrm {k}} ^ 2 {\ mathrm {/}} \ nu \) — соответствующее время оборота.Для завершения нормализации характерный масштаб электрической силы получается из закона Гаусса

$$ \ nabla \ cdot \ overline {\ mathbf {E}} = (n_ + — n_ -) q_ + {\ mathrm {/ }} \ epsilon _0, $$

(4)

, где n ₊ и n _— обозначают, соответственно, локальные плотности положительно и отрицательно заряженных частиц, \ (\ epsilon _0 \) — диэлектрическая проницаемость вакуума, а \ (\ overline {\ mathbf {E}} \) представляет собой гомогенизированное электрическое поле, которое в настоящей работе упоминается только для иллюстрации, никогда не используется для вычисления электрической силы в формуле.(1), и в обозначениях к нему добавляется символ черты сверху по причинам, которые станут более понятными позже в тексте. Точная форма электрической силы, используемой в моделировании, которая не включает гомогенизацию и использует подход FMM в работе. ²⁶ для решения проблемы тела N обсуждается в разделе «Методы». В идеализированных условиях, когда n ₀ были достаточно большими, чтобы гипотетический предел континуума сохранялся в дисперсной фазе, уравнение.(4) предложит масштабирование \ ({\ mathrm {E}} _ {\ mathrm {p}} \ sim \ overline {\ mathrm {E}} \ sim n_0 \ ell _ {\ mathrm {k}} q_ + {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \) для электрического поля, когда предполагается, что характерные вариации заряда имеют порядок n ₀ q ₊ , и что характерная длина для вариаций электрическое поле имеет порядок \ (\ ell _ {\ mathrm {k}} \) (оба значения занижены, о чем свидетельствуют численные результаты, представленные ниже, но они оказались удобными для масштабирования в этом разделе).2 {\ mathrm {/}} (6 \ pi \ mu \ epsilon _0a_ \ pm) \) скорость электромиграции. Параметры уравнения. (6) и уравнение. (7) являются центральными в структуре возникающего электрического поля, как обсуждается ниже.

Механизм электрических полей, вызванных турбулентностью

На рис. 1 представлен эскиз, который иллюстрирует локальный дисбаланс зарядов, вызванный турбулентностью и последующей генерацией длинноволновых электрических полей. Это происходит, например, когда отрицательно заряженные мелкие частицы предпочтительно концентрируются, в то время как положительно заряженные большие частицы не концентрируются предпочтительно или делают это гораздо менее интенсивно (обратите внимание, однако, что противоположная ситуация, а именно предпочтительно сконцентрированное облако положительно заряженных частиц, окруженное однородной средой). суспензия отрицательно заряженных частиц привела бы к тому же явлению).{({\ mathrm {ae}})} \ gg 1 $$

(8)

удовлетворены ^20,22 . В частности, первое условие в формуле. В (8) утверждается, что как ускорение, так и скорость скольжения отрицательно заряженных малых частиц имеют порядок единицы в единицах Колмогорова u _k / t _k и u _k , соответственно. В результате эти частицы движутся большими вихрями размером \ (\ ell \), но скользят со скоростями порядка \ (u _ {{\ mathrm {slip}}, -} \ sim u _ {\ mathrm {k}} \ ) на малых размерах \ (\ ell _ {\ mathrm {k}} \), которые несут самые сильные уровни завихренности в потоке.{3/2} \ gg \ ell _ {\ mathrm {k}} \), тем самым становясь более равномерно распределенными в пространстве, чем отрицательные, как показано на рис. 1. Результатом является аэродинамический механизм, который разделяет отрицательные заряды на облака в среде примерно равномерно распределенных положительных зарядов.

Классическое изображение предпочтительной концентрации в турбулентности с частицами, описанное выше, принципиально не изменяется, если скорость электромиграции u _{el, ±} меньше, чем характерная скорость скольжения u _{slip, ±} .{1/2}. $$

(9)

В частности, оба условия в формуле. (9) убедитесь, что электрический заряд, переносимый каждой частицей, недостаточно велик, чтобы индуцировать электрические поля, способные вызывать частую агломерацию или большие отклонения от траекторий, вызванные взаимодействием между инерцией и стоксовым сопротивлением в уравнении. (1). Ниже показано, что общее влияние электрического поля на предпочтительную концентрацию состоит в том, чтобы уменьшить его для отрицательно заряженных частиц и увеличить для положительно заряженных крупных частиц таким образом, чтобы механизм генерации мезоскопических электрических полей, изображенный на рис.3) \) — это окружающий его контрольный объем. Этот эффект можно качественно понять путем объемного интегрирования уравнения. (4) в достаточно большом контрольном объеме \ (V _ {{\ mathrm {el}}} \ gg V _ {\ mathrm {c}} \), так что результирующий поток электрического поля становится незначительным из-за электронейтрализации заряда внутри . Поскольку положительно заряженные частицы довольно равномерно распределены в окрестности облака по сравнению с отрицательно заряженными, объемный интеграл от первого члена в правой части уравнения (2).(4) можно аппроксимировать как \ (n_0q_ + V _ {{\ mathrm {el}}} {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \). Напротив, отрицательно заряженные мелкие частицы в основном сосредоточены в облаке в V _c , и в результате объемный интеграл второго члена в правой части уравнения. (4) дает \ (n _ {\ mathrm {c}} q_ + V _ {\ mathrm {c}} {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \), где \ (n _ {\ mathrm {c}} \ sim Cn_0 \) — характерная флуктуация числовой плотности в облаке, которая в результате накопления частиц намного превышает среднюю числовую плотность n ₀ , как правило, в C порядка 100 раз.{1/3} \) — характерная длина, связанная с вариациями мезоскопического электрического поля. Ниже приведен спектральный анализ электрического поля, подтверждающий эти соображения.

Саморегулирующаяся динамика

Ниже анализируются три различных случая моделирования, которые соответствуют незаряженному (случай №1) и заряженному (случай №2) условиям с предпочтительной концентрацией мелких частиц, а также заряженным условиям без существенной предпочтительной концентрации любой из двух классов частиц (случай № 3).Читателю предлагается обратиться к разделу «Методы» для дальнейшего описания каждого случая.

Электрическое поле, создаваемое коллективным действием заряженных частиц, является саморегулирующимся, поскольку оно имеет тенденцию к уменьшению базовых уровней предпочтительной концентрации в незаряженных расчетах при тех же аэродинамических числах Стокса. Это наглядно видно из сравнения мгновенных пространственных распределений частиц, показанных на рис. 2а, б. Незаряженный случай № 1 на рис. 2а характеризуется острыми нитевидными структурами преимущественно концентрированных мелких частиц, которые окружены более равномерно распределенными частицами, принадлежащими к другому классу.Напротив, заряженный случай № 2 на рис. 2b приводит к более толстым структурам облаков для преимущественно концентрированных отрицательно заряженных мелких частиц и к снижению пространственной однородности для положительно заряженных крупных частиц. Подобные электрические эффекты на предпочтительную концентрацию были предложены в ранней работе ^28,29,30 , хотя и для монодисперсных суспензий с гораздо меньшим количеством частиц в потоках с гораздо более низкими числами Рейнольдса.

Рис. 2

Электрические эффекты на пространственное распределение частиц. a — c Мгновенное пространственное распределение частиц, содержащихся в постоянном x ₃ срезе толщиной, равной длине Колмогорова \ (\ ell _ {\ mathrm {k}} \). d — f Усредненная по ансамблю спектральная энергия \ ({\ cal E} _n \) флуктуаций концентрации как функция волнового числа κ . g — i Усредненные по ансамблю функции радиального распределения (RDF) как функция радиального разноса r .Рисунок включает незаряженный корпус № 1 ( a , d , g ), заряженный корпус № 2 (с преимущественно концентрированными отрицательно заряженными мелкими частицами; b , e , h ), и заряженный случай № 3 (без предпочтительной концентрации ни одного из двух классов; c , f , i ). Целая длина \ (\ ell \) и ее эквивалентный размер в единицах Колмогорова (~ \ (100 \ ell _ {\ mathrm {k}} \)) указаны для удобства в левом верхнем углу a — c

Эффект смягчения, упомянутый выше, количественно оценивается спектральным анализом полей числовой плотности частиц, как показано на рис.2г, эл. Расчеты основаны на спектре \ ({\ cal E} _n \) энергии флуктуаций концентрации, полученном сферическим усреднением умножения быстрого преобразования Фурье числовой плотности n для каждого класса, в таком способ, которым интеграл спектра по оси волновых чисел равен дисперсии плотности числа 〈 n ′ n ′〉, где угловые скобки обозначают усреднение объема по всей расчетной области. В частности, пик спектра малых частиц в незаряженном случае № 1 на рис.2d смещается в сторону больших волновых чисел и приводит к большему разбросу поля числовой плотности по сравнению с соответствующими величинами для крупных частиц (см. Легенду на рис. 2d, e). Напротив, в заряженном случае на рис. 2e дисперсия числовой плотности отрицательно заряженных мелких частиц сравнительно уменьшается, в то время как пик спектра смещается в сторону больших масштабов, тем самым указывая на уменьшение предпочтительной концентрации из-за электрических эффектов. Однако обратите внимание, что противоположная тенденция в пике спектра наблюдается для положительно заряженных крупных частиц, который смещается в сторону меньших масштабов, что указывает на наличие более мелкозернистых структур в поле концентрации этого класса по сравнению со случаем № 1, хотя этот эффект противодействует меньшей дисперсии в результате кулоновского отталкивания.

Аналогичные выводы дают функции радиального распределения (ФРР), представленные на рис. 2ж, з, которые определяются как числовая плотность частиц в объеме сферической оболочки конечной толщины, расположенной на радиальном расстоянии r от тестовая частица, деленная на общую плотность пар частиц в сферическом объеме 4 πr ³ /3 ³¹ . Большие значения РФР для мелких частиц на малых расстояниях в незаряженном случае № 1 на рис.2g указывают на высокую вероятность встречи с другими частицами того же класса поблизости из-за предпочтительной концентрации. Напротив, эта часть RDF значительно уменьшается в заряженном случае № 2 на рис. 2h. В частности, немонотонность обоих RDF в заряженном случае № 2 на рис. 2h является следствием кулоновского отталкивания частиц с одинаковым знаком заряда, которое подавляет возникновение коротких разделительных расстояний ³² . Обсуждение заряженной, но гораздо более дисперсной суспензии на рис.2c – i приводит к таким же выводам, что и изложенные выше, включая аспект немонотонности RDF обоих классов частиц. {({\ mathrm {el}})} \ nabla \ cdot {\ mathbf {F}} _ {\ mathrm { p}}} \ right], $$

(10)

, где Q _p = (1/4) ( ω _p ⋅ ω _p — 2 S _p : S _p ) является вторым инвариантом тензор градиента скорости частицы.{\ mathrm {T}}} \ right) \) — скорость деформации поля скорости частицы, а \ ({{\ mathbf {\ upomega}}}} _ {\ mathrm {p}} = \ nabla \ times { \ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}} \) — связанная завихренность. Особый интерес представляют условия потока, когда \ (\ nabla \ cdot {\ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}} <0 \), которые соответствуют скоплению частиц вдоль траекторий, как диктуется уравнением сохранения массы для каждого класс,

$$ \ frac {1} {{n_ \ pm}} \ frac {{{\ mathrm {D}} n_ \ pm}} {{{\ mathrm {D}} t}} = — \ nabla \ cdot {\ mathbf {u}} _ {\ mathrm {p}}> 0, $$

(11)

, где n _± нормализовано с n ₀ . {\ mathrm {T}}} \ right) \) и завихренность \ ({{\ omega}} = \ nabla \ times {\ mathbf {u}} \).{({\ mathrm {el}})} \ ll 1 \), облака частиц с чистым отрицательным зарядом ( n _— > n ₊ ) отгоняют отрицательно заряженные частицы и притягивают положительно заряженные, таким образом напоминая саморегулирующуюся динамику генерируемого внутри электрического поля при отмене предпочтительной концентрации, как описано выше. Противоположная тенденция наблюдается в положительно заряженных облаках, как схематически показано на рис. 3.

рис. 3

Смягчающее влияние электростатики на предпочтительную концентрацию. a Облако отрицательно заряженных частиц генерирует входящие линии электрического поля, которые отводят отрицательные заряды и концентрируют положительные заряды, что имеет тенденцию к электронейтрализации распределения заряда частиц и отменяет предпочтительную концентрацию, создаваемую полем турбулентного потока (схематические изображения, не в масштабе ). {({\ mathrm {el}})} = 10 \), но, несмотря на преобладающие аэродинамические эффекты, внутренние электрические поля достаточно велики, чтобы заметно изменить структуру поля концентрации частиц.Однако следует подчеркнуть, что уравнение. (13) представляет собой асимптотическое приближение для малых скоростей инерции и электромиграции частиц, при этом конечные значения этих величин входят в задачу, чтобы отделить динамику несущей фазы от динамики дисперсной фазы.

Структура электрического поля

Накопление отрицательно заряженных мелких частиц в облаках имеет фундаментальный эффект генерации пространственно когерентных электрических полей. Это показано на рис.4 путем сравнения электрических полей, генерируемых в режимах, где предпочтительная концентрация значительна (случай №2) или незначительна (случай №3). В частности, случай № 3 на рис. 4b соответствует заряженным частицам, которые баллистичны по отношению к небольшим водоворотам, и поэтому характеризуется относительно однородным пространственным распределением обоих классов частиц. Соответственно, поля числовой плотности в случае № 3 имеют очень малое содержание спектральной энергии при высоких волновых числах, как показано на рис. 2f. Отсутствие какой-либо значительной предпочтительной концентрации в случае № 3 приводит к пространственно некогерентным электрическим полям, пиковые интенсивности которых имеют порядок \ (n_0 \ ell _ {\ mathrm {k}} q_ + {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \) , как это видно на контурах на рис.4b. Спектральная электростатическая энергия этого электрического поля, обозначенная как \ ({\ cal E} _E \) и вычисленная аналогично \ ({\ cal E} _n \) путем сферического усреднения умножения быстрого преобразования Фурье \ (\ overline {\ mathbf {E}} _ {{\ mathrm {FMM}}} {\ mathrm {/}} \ sqrt 2 \) сам по себе имеет наклон, близкий к 2, что напоминает белый шум, как показано на рис. 5а. Напротив, предпочтительная концентрация отрицательно заряженных мелких частиц, которая преобладает в случае № 2, создает более сильные электрические поля порядка \ (10n_0 \ ell _ {\ mathrm {k}} q_ + {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \), как показано на рис.4а. Такие электрические поля пространственно когерентны, и их максимальная напряженность возникает вблизи облаков отрицательно заряженных мелких частиц. Кроме того, рис. 5a показывает, что электрические поля в случае № 2 имеют гораздо более высокое спектральное содержание энергии при низких волновых числах, чем в случае № 2, особенно вблизи интегрального волнового числа турбулентности \ ((2 \ pi {\ mathrm {/} } \ ell) \ ell _ {\ mathrm {k}} = 0,06 \), где спектральная электростатическая энергия, создаваемая эффектом преимущественной концентрации, в> 200 раз больше, чем в масштабах Колмогорова.

Рис. 4

Возникновение электрических полей, вызванных турбулентностью. Мгновенные контуры поперечного сечения мезоскопического электрического поля, полученного с помощью FMM \ (\ overline {\ mathbf {E}} _ {{\ mathrm {FMM}}} ({\ mathbf {x}}) \) для случая a № 2, в котором предпочтительно концентрируются отрицательно заряженные мелкие частицы, и b случай № 3, в котором ни один из классов частиц не концентрируется предпочтительно каким-либо существенным образом. На вставках показано наложенное локальное пространственное распределение отрицательно заряженных мелких частиц (синие цветные точки) и положительно заряженных крупных частиц (красные цветные точки) в постоянном x ₃ срезе толщиной, равной колмогоровской длине \ (\ ell _ {\ mathrm {k}} \).Интегральная длина \ (\ ell \) и эквивалентный ей размер в единицах Колмогорова (~ \ (100 \ ell _ {\ mathrm {k}} \)) указаны для удобства в левых верхних углах

Рис. 5

Влияние турбулентного рассеивания частиц на электрическое поле. a Усредненные по ансамблю спектры электростатической и кинетической энергии как функция волнового числа. b Усредненные по ансамблю нормированные функции плотности вероятности (PDF) модуля мезоскопического электрического поля, полученного с помощью FMM (случай 2 означает: 7.3, случай № 2 95-й процентиль: 13,6; случай № 3 означает: 0,4, случай № 3 95-й процентиль: 0,9). c Усредненные по ансамблю энергетические спектры флуктуаций чистой плотности заряда как функции волнового числа, включая мгновенные контуры поперечного сечения (вставки). d Усредненные по ансамблю энергетические спектры флуктуаций электрического потенциала в зависимости от волнового числа, включая мгновенные контуры поперечного сечения (врезки)

10-кратное увеличение электрического поля, наблюдаемое после перехода от случая №3 к случаю №2, где значительна предпочтительная концентрация отрицательно заряженных мелких частиц, особенно очевидна по сдвигу вправо в функциях плотности вероятности (PDF), представленных на рис.5б. Кроме того, рис. 5б показывает, что эффект уменьшения зарядов частиц q ₊ и q _— в 10 раз, что соответствует уменьшению обоих электрических чисел Стокса в 10 раз, заключается в уменьшении электрического поля, нормированного на базовый уровень заряда, хотя и всего на коэффициент порядка единицы. Однако спектральная электростатическая энергия этого уменьшенного электрического поля наблюдалась в результатах, которые были смещены в сторону больших масштабов по сравнению со случаем № 2 из-за тенденции вышеупомянутого смягчающего воздействия электрического поля на предпочтительную концентрацию к уменьшению интенсивности по мере того, как электрический заряд уменьшается.Эти соображения подчеркивают тот факт, что режимы с низкими электрическими числами Стокса более эффективны при создании когерентных электрических полей на больших масштабах турбулентности, хотя результирующие значения также, соответственно, меньше.

Как показано на рис. 1, описанный выше механизм аэродинамической генерации электрических полей основан на сегрегации зарядов, вызванной турбулентностью. Это разделение зарядов рассматривается на рис. 5c с точки зрения энергетического спектра \ ({\ cal E} _q \) флуктуаций чистой плотности заряда ( n ₊ — n _— ) q ₊ , где \ ({\ cal E} _q \) вычисляется аналогично \ ({\ cal E} _n \).В частности, возникновение предпочтительной концентрации в случае № 2 приводит к значительному увеличению высокого волнового числа \ ({\ cal E} _q \) из-за длинных отрицательно заряженных нитевидных структур, созданных турбулентностью. Волновое число, связанное с пиком \ ({\ cal E} _q \), больше, чем волновое число, связанное с максимумами \ ({\ cal E} _ {n, -} \) и \ ({\ cal E} _ { n, +} \) из-за частичной электронейтрализации облаков окружающими положительно заряженными крупными частицами, что делает структуры сегрегации заряда более узкими, чем облака отрицательно заряженных мелких частиц.2 {\ cal E} _ \ phi \), которое выполняется в электростатике, где \ ({\ cal E} _ \ phi \) — это энергетический спектр флуктуаций мезоскопического электрического потенциала, полученного из ФММ \ (\ overline \ phi _ {{\ mathrm {FMM}}} \). В результате последний становится предпочтительно организованным в гораздо более крупных масштабах, чем масштаб электрического поля и результирующей плотности заряда. Это приводит к полному затуханию \ ({\ cal E} _ \ phi \) на рис. 5d на ~ 6 порядков величины вдоль двух декад волновых чисел аналогично спектру кинетической энергии \ ({\ cal E } _K \) несущей фазы на рис.5а.

Эффекты атмосферного разрежения

Имеет ли значение рассмотренный выше диапазон безразмерных параметров для реалистичных пыльных бурь — вопрос, на который нельзя дать однозначный ответ из-за большой изменчивости условий потока и свойств частиц, описанных в литературе, особенно для экстра- земные атмосферы ^10,12,15 . Однако есть аспекты, связанные с влиянием низкого давления окружающей среды на изучаемые здесь явления, которые стоит обсудить с точки зрения размерных величин, представляющих практический интерес. 8 \) m ⁻³ .{- 5} \) Н · м ⁻² ) при 1 бар и 298 К, ​​что приводит к плотности \ (\ rho _ \ oplus = 1,2 \) кг · м ⁻³ . Другой имитирует разреженную, обогащенную CO ₂ атмосферу Марса ( μ _♂ = 1,3 · 10 ⁻⁵ Н · м ⁻² ) при 6,9 мбар и 210 K, что дает ρ _♂ = 1,6 × 10 ⁻² кг м ⁻³ .

Большие различия в плотностях, R = ρ _⊕ / ρ _♂ = 75, и кинематической вязкости, \ ({\ cal V} = \ nu \) _♂ \ (/ \ nu_ \ oplus = 54 \), имеют важное влияние на относительную величину результирующих безразмерных параметров следующим образом.{-1}], $$

(18)

соответственно, где \ (c_ \ oplus \) и c _♂ — это префакторы, которые должны быть вычислены путем численного интегрирования каждой задачи.

В принципе, поскольку характеристическое число Рейнольдса потока в земной среде слишком велико, никакое обоснованное предположение о \ (c _ {\ oplus} \) не может быть сделано с учетом численных результатов, представленных выше. Однако соответствующие аэродинамические числа Стокса предполагают только предельные уровни предпочтительной концентрации.В результате большие значения порядка \ (c_ \ oplus \) ≳ 10 ⁴ , необходимые для электрического пробоя (т. Е. \ ({E} _ \ oplus> 3 \) MV m ⁻¹ ), нелегко концептуализировать. на основе дробных электрических полей, наблюдаемых на рис. 5b для случая № 3, где частицы в основном являются баллистическими, тем самым предполагая, что этот аэродинамический механизм вряд ли вызовет электрические разряды для этого набора параметров.

С другой стороны, безразмерные параметры (уравнения (14), (15) и (16)), соответствующие марсианской среде, аналогичны параметрам в случае моделирования № 2, рассмотренном выше, где отрицательно заряженный малый частицы предпочтительно концентрируются, положительно заряженные большие частицы предпочтительно не концентрируются значительно, а электрические числа Стокса достаточно малы, чтобы оказывать слабое электрическое взаимодействие, как в уравнении.(9). Из-за увеличения длины Колмогорова с уменьшением давления характерное электрическое поле \ (n_0 \ ell _ {\ mathrm {k}} q_ + {\ mathrm {/}} \ epsilon _0 \) намного больше в разреженном среда. В частности, результаты на рис. 5b показывают, что c ~ 7,3, в результате чего E _♂ ~ 40 кВ м ^-1 , что, в принципе, могло вызвать электрический пробой в этих разреженных условиях. (т. е. E _♂ > 25 кВ; e.g., см. рис. 1 в исх. ¹⁶ для расчета значений разбивки как функции числовой плотности CO ₂ ). При интерпретации этих оценок обратите внимание, что низкие давления в атмосфере Марса вызывают значительное увеличение массовой нагрузки, α _{±, ♂} = \ (R \ alpha _ {\ pm, \ oplus} \), с \ (\ alpha _ {-, \ oplus} \ sim 0.004 \) и \ (\ alpha _ {+, \ oplus} \ sim 0.2 \) в этом примере, что может потребовать рассмотрения эффектов двусторонней связи, которыми пренебрегли в численном моделировании, представленном выше.{- 6} \), которые не зависят от давления окружающей среды.

Принцип и характеристики гребного винта с силой Лоренца

Журнал электромагнитного анализа и приложений
Vol. 1 No. 4 (2009), ID статьи: 1115, 7 страниц DOI: 10.4236 / jemaa.2009.14034

Принцип и характеристики пропеллера силы Лоренца

Цзин Чжу

Северо-Западный политехнический университет, Сиань, Шэньси, Китай.

Электронная почта: [email protected]

Поступила 4 августа ^-го , 2009 г .; пересмотрено 1 сентября ^st , 2009 г .; принята 9 сентября ^-го , 2009.

Ключевые слова: электрическое поле, магнитное поле, собственное поле, радиационное поле, сила Лоренца

РЕФЕРАТ

В этой статье анализируются два метода, с помощью которых может быть создано магнитное поле, и они классифицируются на два типа: 1) Самостоятельное -поле: магнитное поле может создаваться движением электрически заряженных частиц, и его характеристика состоит в том, что оно не может быть независимым от электрически заряженных частиц.2) Поле излучения: магнитное поле может быть создано изменением электрического поля, и его характеристика состоит в том, что оно существует независимо. Пропеллер с силой Лоренца (аббревиатура LFP) использует свойство независимого существования радиационного магнитного поля. Носитель движущихся электрически заряженных частиц и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, соединены вместе, образуя систему. Когда движущиеся электрически заряженные частицы под действием силы Лоренца в радиационном магнитном поле, система достигает тяги.Как и ракетный двигатель, LFP обеспечивает движение в вакууме. LFP может генерировать движущую силу только за счет электроэнергии, и пропеллент не требуется. Главный недостаток LFP — небольшое отношение движущей силы к весу.

1. Введение

Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является разновидностью поля излучения и существует независимо. Когда движущиеся электрически заряженные частицы подвергаются действию силы Лоренца в магнитном поле, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, не подвергается воздействию какой-либо силы реакции.

2. Теоретическая основа

Как мы знаем, магнитное поле может быть создано двумя способами: один — это движение электрически заряженных частиц, а другой — изменение электрического поля [1]. Однако магнитные поля, создаваемые этими двумя методами, совершенно различны по своей природе.

Сначала мы обсудим магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами. Хорошо известно, что количество электричества, переносимое электрически заряженными частицами, не зависит от состояния движения частиц.Это показывает, что когда электрически заряженные частицы создают магнитное поле из-за своего движения, количество электричества, принадлежащее частицам, не изменяется с генерацией магнитного поля. Только на распределение электрической энергии, то есть на распределение электрического поля, влияет состояние движения частиц. (Ниже мы упомянем, что даже это изменение также связано с изменениями угла наблюдения.) «Если электрическая величина, переносимая частицами, определена, магнитное поле, создаваемое частицами, полностью определяется скоростью движения частиц». [2] и является однозначной функцией скорости движения.Другими словами, когда определяется состояние движения частиц, должно существовать определенное магнитное поле, соответствующее электрически заряженным частицам. Это предполагает, что магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, является величиной состояния, которая описывает состояние движения электрически заряженных частиц. Величина состояния, которая отражает состояние физического объекта, различается в разных системах отсчета, но она не может быть отделена от физического объекта и не может быть независимой от физического объекта.Таким образом, магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, различно в разных системах отсчета. Конечно, магнитное поле не может быть независимым от электрически заряженных частиц, и это собственное поле частиц.

Поскольку магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, кинетическая энергия также принадлежит количеству состояния. Они отражают состояние движения физического объекта в виде энергии. Разница между ними заключается в следующем.Состояние движения физического объекта описывается его массой в кинетической энергии, которая сосредоточена в объекте. Состояние движения электрически заряженных частиц описывается величиной электрического поля в магнитном поле, которое создается движущимися частицами и распределяется в пространстве вокруг частиц.

Затем мы обсудим магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем. Основываясь на принципе сохранения энергии, полная энергия электромагнитного поля не изменяется в процессе генерации магнитного поля изменяющимся электрическим полем.Это указывает на то, что магнитная энергия генерируется непрерывно, а электрическая энергия в то же время непрерывно уменьшается. Магнитная энергия преобразуется из уменьшенной электрической энергии. То, что магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем, — это процесс преобразования электрической энергии в магнитную. Электрическая энергия и магнитная энергия локализованы в электрическом поле и магнитном поле соответственно. Согласно «принципу суперпозиции электрических полей» [3], исходное электрическое поле можно рассматривать как суперпозицию двух взаимно независимых электрических полей в вышеупомянутом течении в любое время.Одно из двух электрических полей — это электрическое поле с локализованной электрической энергией, которая была преобразована в магнитную энергию. Другой — электрическое поле с локализованной электрической энергией, которая не была преобразована в магнитную энергию. Очевидно, первое электрическое поле создало магнитное поле, но магнитное поле исчезло. Последнее электрическое поле все еще существует, но оно не генерировало никакого магнитного поля. Поскольку два электрических поля независимы друг от друга, магнитное поле, создаваемое первым электрическим полем, не зависит от электрического поля последнего.Другими словами, магнитное поле и электрическое поле взаимно независимы в том случае, когда магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем. Первое электрическое поле также является связью между магнитным полем и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле, и показано как устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле → электрическое поле → магнитное поле. С исчезновением прежнего электрического поля магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, не только не зависит от электрического поля, но также и от устройства, одновременно генерирующего изменяющееся электрическое поле.Изменяющееся электрическое поле и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, являются только начальным условием для создания магнитного поля. Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является полем излучения и не имеет отношения к системе отсчета.

Связь между магнитным полем, создаваемым изменяющимся электрическим полем, и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле, аналогична соотношению между электромагнитными волнами и антенной. Антенна — это только начальное условие для генерации электромагнитных волн.Когда генерируются электромагнитные волны, они не имеют отношения к антенне. Другими словами, электромагнитные волны отделены от антенны и не зависят от антенны. [4]

Другая проблема заключается в том, что изменяющееся магнитное поле также генерирует электрическое поле, которое известно как проблема преобразования магнитной энергии в электрическую. Точно так же электрическое поле, создаваемое изменяющимся магнитным полем, не зависит от магнитного поля.«Магнитное поле создается изменяющимся электрическим полем, а электрическое поле создается изменяющимся магнитным полем» [5], так неоднократно. Процесс постоянно повторяется. Самый распространенный пример — электромагнитные волны. Поскольку не только магнитное поле, создаваемое изменяющимся во времени электрическим полем, но и электрическое поле, создаваемое изменяющимся во времени магнитным полем, является полем излучения, электромагнитные волны формируются и распространяются непрерывно. На поверхности электрическое поле и магнитное поле в электромагнитных волнах плотно связаны и связаны.Но на самом деле они независимы друг от друга и не имеют отношения друг к другу.

Закон изменяющегося во времени электромагнитного поля следует уравнению Максвелла. «Дифференциальная форма уравнений Максвелла в свободном пространстве задается следующим образом: [6]

»

Из уравнений видно, что величина напряженности магнитного поля определяется величиной скорость изменения электрического поля.Однако, согласно вышеизложенному, магнитное поле преобразуется из исчезнувшего электрического поля, поэтому величина напряженности магнитного поля должна определяться изменяющейся величиной электрического поля. Они кажутся противоречивыми. Это связано с тем, что два направления, по которым изменяющееся во времени электрическое поле генерирует магнитное поле, и изменяющееся во времени магнитное поле генерирует электрическое поле, происходят одновременно, а не магнитное поле начинает преобразовываться в электрическое поле после того, как электрическое поле полностью превращается в магнитное поле.Это легче увидеть по электромагнитным волнам.

Наконец, мы обсуждаем различные изменения электрического поля, когда электрически заряженные частицы имеют разные скорости движения или ускорение. Также исследуются связи между изменениями и электромагнитным излучением.

Сначала обсуждается ситуация, когда электрически заряженные частицы имеют разные скорости движения. Как показано на рисунке 1, a — неподвижная частица, несущая положительный заряд, и ее электрическое поле распределено в пространстве

Рисунок 1.Причина отклонения линии электрического поля

вокруг нее. Выбирается и обсуждается произвольная силовая линия электрического поля E. Предполагается, что угол между силовой линией электрического поля E и осью Y равен α. Определенная часть линии электрического поля, называемая E ₀ , которая начинается от частицы, случайным образом отсекается от E. Линия электрического поля E ₀ раскладывается на две взаимно перпендикулярные составляющие. Один, названный E _X , параллелен оси X.Другой, названный E _Y , параллелен оси Y. Когда электрически заряженная частица a движется по прямой с постоянной скоростью в направлении оси X, длина E _X сокращается, поскольку она параллельна направлению движения, показанному как E _X1 . Это явление известно как сокращение Лоренца. Тем не менее, длина E _Y не изменилась, поскольку она перпендикулярна направлению движения. Из рисунка 1 видно, что векторная сумма E _X1 и E _Y больше не E ₀ , а E ₁ .Угол между E ₁ и осью Y равен β и β. Рис. 1, длина E _X сокращена из-за сокращения Лоренца, но его собственная длина не изменилась. Таким образом, «собственный угол» между силовой линией электрического поля и осью Y не изменился, и «внутреннее распределение» электрического поля также не изменилось. Из вышесказанного следует, что изменение электрического поля электрически заряженных частиц, вызванное разными скоростями движения частиц, по сути, является относительным изменением между электрически заряженными частицами и системой отсчета.Следовательно, магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами, не создается изменением электрического поля. Электрически заряженные частицы, движущиеся по прямой с постоянной скоростью, не могут генерировать какое-либо электромагнитное излучение.

«Электрическое поле неподвижных электрически заряженных частиц и электрическое поле электрически заряженных частиц, движущихся по прямой с постоянной скоростью, являются радиальными. Силовые линии электрического поля у них также прямые »[7], и их собственные распределения также такие же.Это состояние электрического поля частиц называется нормальным состоянием. Когда электрически заряженные частицы имеют ускорение, электрические поля частиц перестают быть радиальными, и в электрическом поле появляется горизонтальная составляющая, перпендикулярная радиальному направлению. Горизонтальная составляющая не имеет отношения к скорости движения частиц и определяется их ускорениями. Следовательно, внутреннее распределение электрического поля изменяется. Согласно принципу суперпозиции электрических полей, горизонтальную составляющую и радиальную составляющую можно рассматривать как два взаимно независимых электрических поля.И они известны как горизонтальное электрическое поле и радиальное электрическое поле. Затем они соответственно обсуждаются ниже.

Независимо от того, как изменяется скорость движения электрически заряженных частиц, электрическое поле частиц находится в нормальном состоянии. Это указывает на то, что изменяющееся электрическое поле, вызванное ускорением электрически заряженных частиц, стремится вернуться в нормальное состояние. Другими словами, горизонтальное электрическое поле имеет тенденцию исчезать.Исчезнувшее горизонтальное поле будет генерировать магнитное поле, то есть изменяющееся электрическое поле генерирует магнитное поле, а электрически заряженные частицы генерируют электромагнитное излучение. Когда ускорение электрически заряженных частиц остается неизменным или увеличивается, горизонтальное электрическое поле не уменьшается и не исчезает, а остается неизменным или наоборот увеличивается. В то же время электромагнитное излучение все еще существует. Это кажется несовместимым с мнением о том, что магнитное поле генерируется, а электрическое поле исчезает.Причина в том, что внешняя сила (поскольку электрически заряженные частицы имеют ускорение) и электромагнитное излучение действуют одновременно. Внешняя сила поддерживает непрерывное увеличение горизонтального электрического поля и одновременное непрерывное изгибание силовых линий электрического поля. Электромагнитное излучение поддерживает постоянное уменьшение горизонтального электрического поля, а силовые линии электрического поля постоянно становятся прямыми. Когда действие внешней силы равно или превышает эффект электромагнитного излучения, увеличенное горизонтальное электрическое поле равно или превышает уменьшенное горизонтальное электрическое поле.В это время возникает явление, когда электромагнитное излучение генерируется непрерывно, а горизонтальное электрическое поле остается неизменным или увеличивается.

Отклонение радиального электрического поля вызвано изменением скорости движения частиц. Как упоминалось выше, это не имеет отношения к генерации магнитного поля излучения, то есть не имеет отношения к электромагнитному излучению.

У нас есть два вывода, которые анализируют различное происхождение магнитных полей:

1) Магнитное поле, которое может создаваться движением электрически заряженных частиц, является собственным полем частиц, и оно не может быть независимым от электрически заряженные частицы.

2) Магнитное поле может быть создано изменением электрического поля — это поле излучения, и оно существует независимо.

3. Принцип работы

Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, является своего рода полем излучения и существует независимо. Когда движущиеся электрически заряженные частицы подвергаются действию силы Лоренца в магнитном поле, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, не подвергается воздействию какой-либо силы реакции.Третий закон Ньютона не применим между электрически заряженными частицами и устройством, генерирующим изменяющееся электрическое поле.

Носитель движущихся электрически заряженных частиц и устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, соединены вместе, образуя систему. Взаимное положение между ними заставляет движущиеся электрически заряженные частицы находиться в магнитном поле, создаваемом изменяющимся электрическим полем, и направление движения электрически заряженных частиц непараллельно направлению магнитного поля.Магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем, не зависит от устройства, генерирующего изменяющееся электрическое поле, поэтому оно не зависит от вышеупомянутой системы. Для вышеупомянутой системы сила Лоренца, действующая на движущиеся электрически заряженные частицы в магнитном поле, создаваемом изменяющимся электрическим полем, объясняется внешней силой системы. Когда носитель электрически заряженных частиц движется под действием силы Лоренца, устройство, генерирующее изменяющееся электрическое поле, приводится в действие и перемещается вместе с носителем.Таким образом, система достигает тяги. Вышеупомянутое является конструктивной идеей новой двигательной установки. В новой силовой установке используется сила Лоренца, поэтому она называется пропеллером силы Лоренца, что в дальнейшем сокращенно LFP.

Очевидно, что проводник может быть выбран в качестве носителя движущихся электрически заряженных частиц. Но какие устройства можно использовать для генерации радиационного магнитного поля?

Наиболее распространенным излучением магнитного поля является магнитное поле в электромагнитных волнах.То есть антенна — это наиболее распространенное устройство, способное генерировать радиационное магнитное поле. Но есть две основные проблемы, если в качестве устройства, генерирующего магнитное поле излучения, выбрать антенну. Во-первых, трудно улучшить интенсивность магнитной индукции, которая имеет решающее значение для улучшения движущей силы. Во-вторых, это приведет к загрязнению окружающей среды электромагнитным излучением. Поэтому мы должны найти новый способ решения этих проблем. Катушка (соленоид) выбрана в качестве устройства для создания изменяющегося электрического поля.

Когда мы говорим о катушке, то есть индуктивности, мы обычно считаем, что «энергия индуктивности хранится в магнитном поле, создаваемом током». [8] Как энергия сохраняется в индуктивности? Для упрощения обсуждения мы предполагаем, что катушка идеальна, то есть у нее нет внутреннего сопротивления.

Как мы все знаем, «когда через катушку протекает переменный во времени ток, в катушке создается магнитное поле, а в обмотке катушки создается индуцированное электрическое поле» [9].Как правило, индуцированное электрическое поле также изменяется во времени. В установившемся состоянии индуцированное электрическое поле не может генерировать ток, потому что оно возмущено внешним электрическим полем. Изменяющееся индуцированное электрическое поле будет генерировать магнитное поле. Как мы можем это знать? Известно, что индуктивное реактивное сопротивление катушки увеличивается, а ток уменьшается, если другие условия не изменяются и увеличивается только частота изменяющегося во времени тока. Предполагается предельный случай, когда частота приближается к бесконечности.В этом случае индуктивность нарушается, ток через катушку не протекает, а индуцированное электрическое поле достигает максимума. Отсутствие тока означает, что нет ввода или вывода энергии. В это время энергия, запасенная в индуктивности, должна иметь определенное значение. Но индуцированное электрическое поле меняется во времени. Куда уходит энергия при уменьшении индуцированного электрического поля? Откуда энергия при увеличении индуцированного электрического поля? Ответ заключается в том, что изменяющееся во времени индуцированное электрическое поле создает изменяющееся во времени магнитное поле.Энергия преобразуется в прямом и обратном направлении между электрическим полем и магнитным полем, а общая энергия электромагнитного поля остается неизменной.

Обычно, когда через катушку протекает переменный во времени ток, в катушке генерируются два магнитных поля. Одним из них является магнитное поле, создаваемое током, то есть магнитное поле, создаваемое движущимися электрически заряженными частицами. Другой — это магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, то есть магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем.Два магнитных поля накладываются друг на друга.

Следовательно, из вышеизложенного можно сделать вывод, что энергия, запасенная в индуктивности, должна включать три части: магнитное поле, создаваемое током, индуцированное электрическое поле и магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем. Первая часть энергии будет течь в индуктивность и выходить из нее вместе с током. Когда он достигает устойчивого состояния, две другие части энергии всегда хранятся в катушке.

Если частота тока равна нулю, то есть ток является постоянным, индуцированное электрическое поле равно нулю, и в катушке существует только магнитное поле, создаваемое током. С увеличением частоты тока ток постепенно уменьшается, и магнитное поле, создаваемое током, также постепенно уменьшается. В то же время индуцированное электрическое поле постепенно увеличивается, а магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, также постепенно увеличивается.Когда частота тока приближается к бесконечности, ток исчезает, и магнитное поле, создаваемое током, также исчезает. В то же время индуцированное электрическое поле достигает максимума, и магнитное поле, создаваемое током, также достигает максимума. Магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, является магнитным полем, создаваемым изменяющимся электрическим полем, и представляет собой своего рода поле излучения. Это причина того, что чем выше частота тока, тем мощнее излучение.Количество и величина радиационных магнитных полей — не единственный фактор, формирующий электромагнитные волны. Генерация электромагнитных волн также определяется характеристиками антенны.

Как мы все знаем, антенна — это не только передающая антенна, но и приемная антенна. Другими словами, он может не только передавать электромагнитные волны, но и одновременно принимать электромагнитные волны. Фактически, антенна показывает характеристики передачи и приема одновременно, когда она передает электромагнитные волны.Когда он генерирует радиационное магнитное поле, антенна принимает их обратно более или менее одновременно. Полученная часть формирует электромагнитную индукцию, а непринятая часть образует электромагнитные волны. [10]

Строго говоря, магнитное поле, создаваемое индуцированным электрическим полем, не следует рассматривать как энергию, запасенную в катушке, потому что это своего рода поле излучения и не зависит от катушки. Магнитное поле создается катушкой и, в свою очередь, принимается катушкой.С этой точки зрения катушку можно рассматривать как антенну. Явление, когда катушка получает собственное магнитное поле излучения, называется самоиндукцией катушки. Более того, прием не обязательно 100%, например, взаимное наведение в катушке или излучение электромагнитных волн.

Как показано на рисунке 2, проводник I ₀ проходит через катушку L ₀ , и они скрепляются вместе и образуют систему. а — основной вид, а б — левый вид.Когда через проводник I ₀

и катушку L ₀ соответственно протекают изменяющиеся во времени токи, движущиеся электрически заряженные частицы в проводнике I ₀ находятся в магнитном поле, создаваемом катушкой L ₀ и их направления не параллельны. На проводник I ₀ будут действовать две силы Лоренца. Одна из них — действующая сила, действующая на

Рисунок 2.Принцип действия Lorentz Force Propeller

, несущий ренту проводник, подвергается действию магнитного поля, создаваемого током, а другой — действующей силой, которой он подвергается в магнитном поле, создаваемом индуцированным электрическим полем. Для вышеупомянутой системы первая действующая сила является внутренней силой системы. Его сила реакции — это сила Лоренца, которой обмотка катушки действует в магнитном поле, создаваемом проводником с током.Поскольку проводник I ₀ и катушка L ₀ закреплены вместе, пара действующей силы и силы реакции не может совершать какое-либо относительное движение между проводником I ₀ и катушкой L ₀ . Таким образом, взаимное расположение между ними также не изменилось. Последняя действующая сила является внешней силой системы и не имеет силы реакции. Когда токопроводящий проводник I ₀ перемещается под действием силы, катушка L ₀ приводится в движение и перемещается вместе с проводником.Таким образом, система достигает тяги.

Поскольку направление магнитного поля, создаваемого индуцированным электрическим полем, изменяется во времени, ток в проводнике I ₀ также должен изменяться во времени, чтобы обеспечить движение. Их частоты должны быть одинаковыми, а разность фаз между ними составляет 0 или 1/2 цикла. Направление движущей силы, когда разность фаз равна нулю, противоположно направлению движущей силы, когда разность фаз составляет 1/2 цикла.Кроме того, в катушке L ₀ отсутствует магнитопровод (железный сердечник). Поскольку магнитное поле создается движущимися электрически заряженными частицами, оно не способствует движению.

Как и электродвигатель, LFP также использует силу Лоренца. Но между ними есть два принципиальных различия.

1) Электродвигатель использует магнитное поле, создаваемое электрически заряженными частицами, тогда как LFP использует магнитное поле, создаваемое изменяющимся электрическим полем.

2) В электродвигателе токопроводящий проводник и устройство, генерирующее магнитное поле, могут перемещаться относительно друг друга, и они называются статором и ротором. В LFP проводник с током и устройство, генерирующее магнитное поле, фиксированы, и между ними нет относительного движения.

Именно из-за вышеперечисленных различий LFP и электродвигатель имеют совершенно разные функции. Электродвигатель сам по себе не может обеспечить тягу, поэтому необходимо использовать движительное устройство.Например, колеса тележки используются для обеспечения движения за счет трения между колесами тележки и землей. Так что винтом его не назовешь. LFP может двигаться сам по себе, и он может двигаться в вакууме.

4. Оптимизация конструкции

В LFP, показанном на Рисунке 2, оба конца катушки L ₀ открыты, и внешняя часть катушки может генерировать магнитное поле. Одна часть проводника I ₀ находится в катушке, а другая часть — вне катушки.Направления двух магнитных полей, в которых расположены две части, противоположны. Другими словами, направления действующих сил Лоренца также противоположны. Это вредно для тяги. Кроме того, одновременно могут возникнуть некоторые другие проблемы, такие как радиационное загрязнение и электромагнитная индукция. Чтобы преодолеть эти недостатки, LFP, показанный на рисунке 2, оптимизирован и показан на рисунке 3. На рисунке 3 L ₁ представляет собой сквозную кольцевую катушку. I ₁ ~ I ₆ — это шесть проводников, проходящих через катушку L _l .Они разделены на два слоя. I ₁ , I ₂ и I ₃ расположены на верхнем уровне, а I ₄ , I ₅ и I ₆ расположены на нижнем уровне. Две части фиксируются катушкой L ₁ соответственно. F — направление движущей силы.

L ₁ — замкнутая катушка, и магнитное поле снаружи катушки устранено. Так что проблема, возникающая в результате этого, исчезает. Следует пояснить, что, поскольку направление магнитного поля, в котором расположены проводники I ₁ , I ₂ , I ₃ , противоположно направлению магнитного поля, проводники I ₄ , I ₅ , I ₆ , разница фаз составляет 1/2 цикла между током в проводниках I ₁ , I ₂ , I ₃ и током в проводниках I ₄ , I ₅ , I ₆ .Рисунок 3 — схематический рисунок. На практике форма и количество витков катушки, количество и положение проводников могут регулироваться и определяться в соответствии с различными требованиями.

На практике очень важно изготавливать гребные винты с большой движущей силой. Для получения более мощной движущей силы наиболее интуитивно понятным методом является увеличение амплитуды и частоты изменяющегося во времени тока. Однако это ограничено многими факторами, такими как материалы и методы производства.Таким образом, эффект ограничен. Мы разрабатываем новый новый метод получения большой движущей силы, который описывается следующим образом.

L ₂ — спиральный замкнутый змеевик, показанный на рисунке 4а. Также можно считать, что один конец восьми L ₁ отрезается, а затем они соединяются встык. Для простоты на рисунке 4а показаны два проводника: I ₇ и I ₈ . Они проходят через верхний и нижний слой катушки соответственно.Направление движущей силы перпендикулярно бумаге.

Пропульсивное устройство, показанное на рисунке 4а, может быть закреплено на круглой подставке. Таким образом, получается движитель, внешне напоминающий оптический диск. Затем многие из этих движителей собираются органически, например, штабелируются, как показано на рисунке 4b, для получения более мощной движущей силы. На рисунке 4 (b) F — направление движущей силы.

Рисунок 3.Трехмерный схематический чертеж оптимизации конструкции пропеллера Lorentz Force

Рисунок 4. Схематический чертеж винта Lorentz Force с большой движущей силой

5. Основные характеристики

Интегрированная силовая установка Lorentz состоит из трех основных частей: система энергоснабжения, система управления и LFP. Функция системы энергоснабжения — обеспечивать электроэнергией всю систему.Это могут быть батареи, двигатели внутреннего сгорания, ядерные реакторы и так далее. Основная функция системы управления — контролировать величину и направление движущей силы путем управления током, вводимым в LFP. Функция LFP — преобразовывать электрическую энергию в движущую силу. Система энергоснабжения и система управления должны определяться в соответствии с различными конкретными ситуациями и требованиями. При разном выборе две системы могут быть совершенно разными.Поэтому в статье обсуждаются только характеристики LFP, а интегрированная силовая установка с силой Лоренца не рассматривается. Более того, поскольку LFP представляет собой новый дизайн, исследования материалов, технологий производства и т. Д., Относящиеся к LFP, остаются пустыми. И это важные факторы, определяющие производительность LFP. Таким образом, проводится только качественный анализ LFP, а не количественный анализ.

Подобно ракетному двигателю, LFP может создавать движущую силу без какой-либо внешней среды.Итак, основные характеристики LFP описываются сравнением с ракетным двигателем.

1) LFP может создавать движущую силу только за счет электроэнергии, и пропеллент не требуется.

2) Удельный импульс LFP велик. Если используется солнечная энергия или ядерная энергия, удельный импульс может быть астрономическим. (Удельный импульс является важным показателем для описания характеристик ракетного двигателя с учетом топлива. LFP не использует топливо.Для сравнения здесь предположение о топливе заменено предположением о топливе. В механическом ракетном двигателе топливо имеет то же значение, что и пропеллент.)

3) Движущая сила жидкостного ракетного двигателя может быть отрегулирована в определенном диапазоне путем регулировки дроссельной заслонки и других механических компонентов. Соотношение движущей силы может достигать 10: 1.

LFP может регулировать движущую силу напрямую, управляя током, и никаких механических компонентов не требуется.Точность настройки и скорость реакции намного выше, чем у ракетного двигателя. Диапазон регулировки составляет от 0 до максимальной движущей силы. Отношение движущей силы приближается к бесконечности, и направление движущей силы может быть изменено на обратное 180 ⁰ .

4) При работе ракетного двигателя наблюдается сильная механическая вибрация. Хотя движущая сила LFP изменяется во времени, механической вибрации нет, потому что частота высока.

5) Когда LFP работает, звук не издается и выхлопные газы не выпускаются.Так что это полезно для защиты окружающей среды.

6) По сравнению с ракетным двигателем, основным недостатком LFP является то, что отношение тягового усилия к весу мало.

6. Пункты формулы

LFP подана на патент. Поэтому, пожалуйста, не используйте без разрешения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Кембриджского университета в 2005 г., стр. 5, стр. 7.Распространены методы генерации магнитного поля.
2. F. T. Ulaby, «Основы прикладной электромагнетизма», (четвертое издание) (китайская версия), 2004 Media Edition, 013185089X, ULABY, опубликовано Pearson Education, Inc., P8.
3. Ф. Т. Улаби, «Основы прикладной электромагнетизма», (четвертое издание) (китайская версия), 2004 Media Edition, 013185089X, ULABY, опубликовано Pearson Education, Inc., P6.
4. Н.Н. Рао, «Элементы инженерного электромагнетизма» (шестое издание) (китайская версия), опубликовано Pearson Education, Inc., P427, P449, P450. Расширилась связь между электромагнитными волнами и антенной.
5. BS Guru и HR Hiziroglu, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Cambridge University Press в 2005 г., P185, 2005 г.
6. JA Edminister, «Очертания Шаума теории и проблем электромагнетизма. Второе издание (китайская версия), P148, 2002.
7. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Cambridge University Press в 2005 г., стр. 57.
8. TL Floyd, «Принципы электрических цепей: обычный ток, седьмое издание» (китайская версия), опубликовано Pearson Education, Inc., P430
9. TL Floyd, «Принципы электрических цепей: версия обычного тока» (седьмое Edition) (китайская версия), изданная Pearson Education, Inc., P429, P431
10. Б. С. Гуру и Х. Р. Хизироглу, «Основы теории электромагнитного поля» (второе издание) (китайская версия), опубликовано издательством Cambridge University Press в 2005 г., P366, P386, P387. Распространено мнение, что антенна излучает электромагнитные волны.

Характеристики атмосферного электрического поля и корреляция с CO2 в сельской местности на юге Балкан | Земля, планеты и космос

Наблюдения PG и выбор набора FW

На рис.2 гистограмма почасовых средних значений PG представлена ​​в ячейках 10 В м ^-1 за период с июня 2011 года по май 2012 года в условиях AW. Подавляющее большинство значений (93,6%) было сосредоточено в диапазоне от -200 до 350 В · м ^-1 , причем все интервалы отображали частоту встречаемости> 0,1%. Среднее значение и стандартное отклонение (STD) составили 66,24 и 649,90 В · м ^-1 соответственно. Этот STD исключительно высок из-за возникновения условий DW, например, грозы, которые могут вызвать значения PG до 15 кВ м ^-1 или даже больше (MacGorman and Rust 1998), в то время как на этом участке наблюдается один из самых высоких кераунических явлений. уровни, зарегистрированные на юге Балканского полуострова (Mazarakis et al.2008; Хронис 2012). Здесь мы отмечаем, что уровень керауны определяется как среднее количество дней в году, когда гром может быть слышен в данной области, и представляет вероятность возникновения грозы. Условия DW не ограничиваются грозами, но также включают случаи прохождения области заряженных облаков над EFM и ливневые дожди. Считается, что эти факторы вызывают значения PG, которые выходят за пределы диапазона -200 В м ^-1 -1 из-за их сильной электростатической природы, составляя оставшиеся 6.4% от общей раздачи.

Фиг.2

a Распределение среднечасовых значений PG и b часовых стандартных отклонения (STD). Средние почасовые значения классифицируются в ячейках 10 В м ^-1 , а стандартные значения — в ячейках 2 В м ^-1 . Данные относятся к периоду с июня 2011 г. по май 2012 г. при любых погодных условиях (AW). Гистограмма STD показывает распределение STD 10-минутных средних значений в течение каждого часа

Существенным элементом распределения является количество почасовых значений, попадающих в диапазон -200 -1 , что составляет 16.9% набора данных, в отличие от данных на других сайтах, где отрицательные значения встречаются гораздо реже (Bennett and Harrison 2007; Israelsson and Tammet, 2001). Эти часы можно отнести к условиям DW, потому что они обычно вызывают изменение PG на отрицательные значения. Большинство этих значений происходит ночью, независимо от погодных условий; это подразумевает существование локального генератора (локального источника генерации пространственного заряда), достаточно мощного для создания достаточного отрицательного пространственного заряда для обращения PG (Piper and Bennett 2012).Из-за времени и повторяемости явления наиболее вероятным источником является естественная радиоактивность. При ночной инверсии радиоактивные вещества, такие как радон и его дочерние продукты, улавливаются близко к земле, вызывая эффект обратного электрода и увеличивая отрицательную плотность изменения пространства, что впоследствии снижает PG (Hoppel et al. 1986). Предположение о том, что естественная радиоактивность является локальным генератором, вызывающим инверсию PG, дополнительно подтверждается тем фактом, что площадка станции перекрывает гранитные месторождения и урановые руды (Pergamalis et al.1998; Pergamalis et al. 2010) и демонстрирует одни из самых высоких потоков радона в Европе. Этот фактор, подтвержденный моделями (López-Coto et al. 2013) и недавними наблюдениями (Kourtidis et al. 2015), также может быть ответственным за повышенную проводимость вблизи земли (Latha 2007). Наряду с в целом низкими концентрациями аэрозолей, которые демонстрирует наш сайт, как типичный сельский район вдали от источников сильного загрязнения, таких как промышленные предприятия и крупные города, такие как Афины (Retalis and Retalis 1997), этот фактор стал причиной снижения среднего значения AW до 66.24 В м ⁻¹ (Исраэльссон, Таммет, 2001).

Для того же периода гистограмма почасовых STD, рассчитанных на основе 10-минутных средних, также представлена ​​на рис. 2. Распределение показывает ярко выраженный положительный перекос, обозначающий относительную субчасовую стабильность. Наибольший процент почасовых средних значений, 91%, демонстрирует STD <100 В · м ⁻¹ , что означает, что большинство часов соответствует критериям условий FW (Harrison 2011). Несмотря на относительную субчасовую стабильность, PG по-прежнему демонстрирует небольшие колебания в течение каждого часа, в основном между 4 и 20 В · м ^-1 , отражая эффекты изменения местных факторов, таких как объемный заряд и аэрозоли.

Таким образом, очевидно, что как почасовые значения PG, так и их соответствующие STD сильно зависят от преобладающих метеорологических условий в течение этого часа (например, наличие гроз, прохождение зарядовых облаков) и наличие местных генераторов (например, радона). . Эти влияния имеют местное происхождение и способны полностью маскировать ответ PG на суточные колебания GEC. Чтобы позволить изучить суточные и сезонные изменения PG без вмешательства условий DW и условий с интенсивной ионизацией, был создан набор данных FW – PG.Для определения данных, которые должны быть включены в набор FW, использовались два простых критерия: 0 -1 и PG-STD <100 В м ^-1 . Отрицательные значения PG были исключены, поскольку они связаны либо с местными генераторами (естественная радиоактивность), либо с условиями DW. Более того, те, у которых более 350 В м ^-1 , или ~ 2,7% распределения, были исключены, потому что они приписываются условиям DW или событиям с высокой концентрацией аэрозоля. Дополнительный фильтр PG-STD> 100 В м ^-1 применялся для исключения любых часовых значений, которые в конечном итоге попадали в диапазон 0–350 В м ^-1 в процессе усреднения, хотя они были записаны в условиях DW .Набор FW составил 78% от общего количества почасовых средних за исследуемый период. Здесь мы отмечаем, что такой высокий процент часов FW благоприятен для станции по сравнению со станциями, расположенными дальше на север в Европе.

Метод использования статистики PG в качестве средства для определения условий, при которых она была измерена, и, в конечном итоге, для определения набора FW – PG полезен, особенно в случаях, когда данные об облачности и активности локальных генераторов недоступны в высоком разрешении. и, таким образом, можно использовать классическое определение FW (Israelsson 1978).Так обстоит дело с сайтом Ксанти. Этот метод можно найти в обсерватории Марста (Исраэльссон и Таммет, 2001), геофизической обсерватории Надьченк (Марц и Харрисон, 2003) и в других местах (О’Коннор, 1976; Бернс и др., 2005) с критериями, настроенными для каждого участка.

Суточные и сезонные вариации PG

Суточные вариации FW – PG демонстрируют две характерные модели: одинарные и двойные пики (Chalmers 1967). Единственный пик (кривая Карнеги) наблюдается в средах, в которых наблюдаются локальные эффекты (например,g., загрязнение) низки или отсутствуют, например, океанические (Харрисон, 2013), полярные (Сиинг и др., 2013), горные вершины [например, пик Ванк (Рейтер, 1974)] и отдаленные изолированные участки [например, Эскдалемюр (Харрисон, 2003; Харрисон). 2004a)], изображающие глобальную грозовую активность. Более того, на некоторых станциях зимой, особенно в высоких широтах, наблюдается единственный пик (Исраэльссон и Таммет, 2001; Харрисон, 2004b), что свидетельствует о высокой корреляции с кривой Карнеги. Двойной пик наблюдается на континентальных станциях (Retalis и Retalis 1997; Harrison and Aplin 2002) и обычно синхронизируется с местным временем и интенсивностью местных эффектов (Chalmers 1967), в то время как сигнал GEC не всегда очевиден и усредняется по одному или требуется несколько недель для показа (Долезалек, 1972).

Среднее суточное изменение FW – PG в Ксанти имело типичный континентальный ход, характерный для двойного пика (рис. 3). Первичный максимум был очевиден между 11:00 и 12:00 LT, а вторичный максимум — в 21:00 LT; соответствующие предыдущие минимумы появились в 5:00 и 18:00 LT соответственно.

Рис. 3

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) и всепогодное (AW) –PG за период с июня 2011 года по май 2012 года. Столбики ошибок обозначают стандартные ошибки для каждого часа . Вверх и стрелки вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца, соответственно

Тенденция к увеличению FW – PG в утренние часы и следующий за ним первичный максимум около полудня объясняется местными факторами, а именно «эффектом восхода солнца» и аэрозолями.

Эффект восхода солнца был подробно описан Marshall et al. (1999), которые уделяли особое внимание реакции PG на положительные транспозиции пространственного заряда. Другие авторы (Law 1963; Chalmers 1967; Kamra 1982) также упоминали эффект восхода солнца, среди которых Камра (1982) и Ло (1963) наблюдали изменение знака пространственного заряда с отрицательного на положительный в момент восхода солнца, совпадающее с увеличением PG. .По данным Marshall et al. (1999), начало утренней конвекции, вызванной солнечным нагревом, приводит к разрушению неглубокого положительно заряженного слоя (электродного слоя), который образовался за ночь и покрывает самые первые дециметры земли (Crozier 1963). Разбавление электродного слоя сразу после восхода солнца из-за увеличения турбулентности постепенно переносит все больше и больше положительных зарядов по EFM, в конечном итоге усиливая PG (Marshall et al. 1999). Со временем механизм ослабевает, и пограничный слой становится хорошо перемешанным (Moore et al.1962 г.). Увеличение PG, связанное с эффектом восхода солнца, может еще больше усилиться на нашем участке из-за расположения станции на склоне горной местности и возможности образования ячеек с замкнутой циркуляцией долинных или наземных бризов. В этом случае электродный слой, который образовался на поверхности горы в течение ночи, также разбавляется после восхода солнца, и после подъема по склону положительные заряды могут переноситься через EFM через циркуляцию возвращающихся элементов. Значение эффекта восхода солнца на утреннем пике также подчеркивалось в исследованиях для других станций, независимо от характера участка, включая типичный континентальный (Retalis and Retalis 1997), тропический континентальный (Latha 2003) или тропический остров (Kumar et al. al.2009 г.).

Аэрозоли оказывают непосредственное влияние на локальную проводимость, действуя как центры рекомбинации для ионов; в то же время аэрозоли снижают подвижность прикрепленных к ним ионов, тем самым снижая дальнейшую проводимость (Hoppel et al. 1986; Harrison and Carslaw 2003). Уменьшение локальной проводимости, учитывая постоянный ток проводимости между ионосферой и землей, вызывает увеличение PG в соответствии с законом Ома (Jayaratne and Verma 2004). Ожидается, что аэрозоли на нашем сайте будут иметь повышенную арифметическую концентрацию на уровне земли с утра до полудня, таким образом увеличивая PG.Повышенный уровень аэрозолей объясняется увеличением дорожного движения к югу от станции. Воздействие аэрозолей на PG еще более усиливается из-за направления ветра, обычно дующего в это время с юго-востока на юго-запад, который переносит больше аэрозолей в сторону прибора EFM. Следовательно, на нашей станции, возможно, что южный ветер и встречное движение по дорогам, которые становятся более интенсивными после 9: 00–10: 00 LT, привели к большей концентрации аэрозоля вокруг станции и следовали за эффектом восхода солнца.Этот процесс, возможно, спровоцировал непрерывное возрастающее влияние на PG, которое в конечном итоге достигло максимума в 11: 00–12: 00 LT.

Дополнительным фактором, который может способствовать утреннему увеличению PG, является грозовая активность в Азии, которая в то время была максимальной (Harrison 2013; Blakeslee et al. 2014). Вклад этого параметра считается довольно низким по сравнению с вышеупомянутыми факторами, но он упоминается здесь как единственный глобальный фактор, который может воздействовать на локальный первичный максимум PG.

После первичного максимума PG спала и в конечном итоге достигла минимума в 18:00 LT. Это объясняется усилением конвективных условий ближе к вечеру, что может вызвать истощение аэрозолей у земли за счет разбавления. Аэрозоли транспортируются вверх, позволяя восстанавливать концентрацию ионов. Таким образом, местная проводимость увеличивается, а PG впоследствии уменьшается (Chalmers 1967; O’Connor 1976; Serrano et al. 2006; Silva et al. 2014) в соответствии с законом Ома при постоянном токе проводимости воздух-земля PG = Дж. _Z / σ _T , где J _Z — ток проводимости воздух – земля, а σ _T — общая проводимость (Харрисон, 2006).Восходящий перенос аэрозолей постепенно обеспечивает дополнительное подавление PG за счет уменьшения тока проводимости. Поскольку не существует механизма для быстрого удаления аэрозолей, когда они находятся в приподнятом состоянии, в результате увеличивается столбчатое сопротивление, уменьшая ток проводимости воздух-земля (генерирующая сила PG) и, следовательно, уменьшая PG (Harrison and Bennett 2007). Учитывая момент минимума PG на нашем участке в 18:00 LT, была отмечена задержка в максимизации столбчатого сопротивления по сравнению с результатами Sagalyn и Faucher (1956), где соответствующий максимум произошел в 15:00 LT.Мы предварительно связываем эту задержку с различиями в адвективных условиях на каждом участке. В частности, максимальное столбчатое сопротивление Sagalyn и Faucher (1956) было получено в периоды низкой адвекции, тогда как на нашем участке адвекция, как ожидается, будет относительно высокой из-за расположения станции и, таким образом, изменит столбчатую аэрозольную нагрузку.

Вторичный максимум в 21:00 LT и следующий минимум в 05:00 LT совпадают с соответствующими экстремумами кривой Карнеги в 19:00 и 03:00 UTC, отображая суточные вариации глобальной грозовой активности.Однако оба экстремума восприимчивы к локальным эффектам, которые могут усилить или подавить глобальный сигнал. Условия конвекции, достигшие максимума ранее, которые привели к минимуму в 18:00 LT, постепенно ослаблялись, что приводило к увеличению концентрации аэрозоля у земли и впоследствии к увеличению PG, как описано выше (Latha 2003). Напротив, постепенный переход к ночной стратификации может вызвать улавливание радона и его дочерних продуктов, что приведет к интенсивным условиям ионизации и созданию отрицательного пространственного заряда (эффект обратного электрода), который в конечном итоге подавит PG (Hoppel et al.1986; Латха 2007). Отрицательный объемный заряд может также изменить полярность PG; однако отрицательные значения здесь не рассматривались, потому что в центре внимания находится FW – PG. Воздействие радона при ночной инверсии также может повлиять на минимум PG (05:00 LT) в определенные дни. Величину и конкретное время воздействия локальных факторов на глобальный сигнал PG определить нелегко; поэтому необходимы измерения дополнительных переменных, таких как зондирование аэрозолей, наземные аэрозоли, проводимость и радон.

Сравнение величины первичного пика с величиной того, что совпадает с пиком Карнеги, выявило очевидную существенную разницу, так что локальные эффекты преобладают в Ксанти в течение дня в гораздо большей степени, чем глобальные эффекты. Суточный ход AW – PG (рис. 3) следует тому же курсу, что и FW – PG, и большую часть дня он держится ниже кривой FW; это совпадает с поведением PG на других сайтах (O’Connor 1976; Retalis and Retalis 1997).Как видно из его нестабильного суточного цикла, AW – PG испытывает большие колебания, чем FW – PG; этот результат был ожидаемым, потому что были включены условия DW. Сильная почасовая изменчивость также была очевидна из увеличенных стандартных ошибок (SE), где SE = STD / √ n . Хотя n не является одинаковым для всех часов, он достаточно высок, чтобы гарантировать сопоставимые SE. Усиленный SE показал ярко выраженную интенсивность между 11:00 и 21:00 LT. В тот же период молниеносная активность усиливается над Грецией (Chronis 2012) и Ксанти, последний демонстрирует самые высокие уровни керауны в стране (Mazarakis et al.2008 г.). Молниеносная активность максимальна между 16:00 и 17:00 LT (Chronis 2012), что совпадает с наибольшей разницей двух кривых, что, в свою очередь, указывает на значительное существование условий, не связанных с FW, в AW, установленном в эти часы (O ‘ Коннор 1976). Подобные различия между двумя кривыми также были очевидны в определенные ночные часы, хотя условия, не связанные с FW, здесь, скорее всего, связаны с естественной радиоактивностью. Следовательно, хотя AW – PG обычно следовал типичным двухпиковым суточным колебаниям, условия DW на нашем участке были достаточно интенсивными и возникали часто, что приводило к тому, что минимумы и максимумы кривой были значительно более размытыми, чем у FW – PG.

Все месяцы следовали общей схеме, описанной выше, хотя в некоторых случаях оба экстремума не были очевидны (рис. 4). В теплые месяцы с июня по октябрь первичные максимумы PG наблюдались в 10: 00–11: 00 LT, тогда как в холодные месяцы с ноября по январь соответствующие максимумы переносились на 12: 00–14: 00 LT. Это перемещение объясняется более ранним возникновением конвективных условий в теплые месяцы и последующей более ранней активацией эффекта восхода солнца (Latha 2003) и согласуется с результатами на других континентальных участках (Retalis and Retalis 1997).В оставшиеся месяцы, с февраля по май, поведение было промежуточным, с максимумом в 11: 00–12: 00 LT. Вторичный максимум не ясен каждый месяц, что свидетельствует о влиянии локальных факторов на PG в момент максимизации глобальной грозы. Однако, когда вторичный максимум был очевиден в августе, сентябре, январе и мае, он произошел в пределах ± 1 часа от максимума кривой Карнеги в 19:00 по всемирному координированному времени. Разница во времени может быть связана с сезонностью местных факторов, таких как аэрозоли, региональные изменения в распределении грозы, которые могут нарушить типичный цикл GEC (Харрисон 2004a), или ионосферные возмущения (Харрисон 2004b).Наконец, два минимума не показали сезонности и были сосредоточены в 05:00 и 18:00 LT, соответственно. Поскольку месяцы, показывающие вторичный пик, охватывают весь год, этот эффект не является исключительно сезонным. Можно предположить, что это результат сочетания нескольких влияющих факторов, таких как излучение радона, турбулентность, концентрация и распределение аэрозолей по размерам. Однако в отсутствие соответствующих данных такие предположения могут быть только умозрительными.

Рис. 4

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) для каждого месяца периода с июня 2011 года по май 2012 года.Месяцы выровнены по сезонам. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Сезонный ход FW – PG, наблюдаемый в период с февраля 2011 г. по декабрь 2014 г., с максимумами (минимумами) в холодные (теплые) месяцы (рис. 5), согласуется с результатами на других континентальных участках северного полушария ( Чалмерс 1967; Исраэльссон и Таммет 2001; Беннетт и Харрисон 2007a). Концентрации ядер Айткина у земли, которые действуют как конечный сток для малых ионов вблизи земли, максимальны в холодные месяцы из-за пониженного вертикального перемешивания атмосферы (Adlerman and Williams 1996 и ссылки в нем).В холодные месяцы от отопления в населенных пунктах увеличивается количество аэрозолей. Однако этого факта недостаточно для объяснения повышенных концентраций аэрозолей у земли зимой, потому что основные источники тепла в окрестностях, включая город Ксанти и деревню Кимерия, не находятся с подветренной стороны от преобладающих направлений ветра, встречающихся на площадке. . Кроме того, в Греции пиковые концентрации столбчатых аэрозолей обычно достигаются весной / летом; с точки зрения интенсивности источников, летом также существуют дополнительные источники.С точки зрения загрязнения атмосферы высота пограничного слоя (BLH) является основным фактором концентрации аэрозолей у земли. Это происходит потому, что на средиземноморских участках на той же широте, что и наш участок, BLH в летнее время может быть в разы даже в 10 раз больше, чем зимой, из-за уменьшения конвекции зимой (например, Georgoulias et al. 2009). Большое количество ядер Айткина очень эффективно снижает концентрацию мелких ионов, которые доминируют в электропроводности воздуха, что приводит к уменьшению локальной проводимости и, как следствие, к максимизации PG.Обратное происходит в теплые месяцы, когда пограничный слой значительно глубже, чем зимой, и таким образом улавливает аэрозоли, находящиеся близко к земле. Вышеупомянутый механизм также согласуется с более ранними измерениями атмосферных ионов, проведенными в Афинах (Retalis 1983; Retalis et al. 2009). Эти измерения показали максимальные (минимальные) концентрации малых ионов летом (зимой). Напротив, большие ионы, которые положительно коррелируют с загрязнением и действуют как дополнительный сток для мелких ионов, следовали противоположной тенденции: тенденции PG (Retalis and Retalis 1997).

Рис. 5

Долгосрочная вариация ясной погоды (FW) — градиент потенциала (PG) за период с февраля 2011 года по декабрь 2014 года. Среднемесячные значения были рассчитаны на основе средних почасовых значений. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Следовательно, долгосрочные вариации FW – PG на нашем участке, который является типичным континентальным участком в Северном полушарии, объясняется сезонностью концентрации приземного аэрозоля. Вариабельность сроков экстремумов и колебания в течение месяцев между максимумом и минимумом могут быть отнесены к факторам, влияющим на концентрацию аэрозоля, таким как вертикальное перемешивание, и вероятным глобальным изменениям грозовой активности.

Локальные и глобальные эффекты

Наблюдения за GEC с одной континентальной станции — сложная задача, потому что, как упоминалось ранее, местные эффекты, такие как аэрозоли и космический заряд, могут полностью маскировать глобальные вариации (Rycroft et al. 2008). Однако локальные эффекты либо минимизируются в определенные периоды, либо существенно не меняются во времени, что позволяет наблюдать глобальные сигналы (Harrison 2004b). Попытка определить такие периоды для нашего сайта представлена ​​здесь путем сравнения FW – PG с кривой Карнеги (Rycroft et al.2008 г.).

GEC не всегда следует типичной кривой Карнеги из-за таких условий, как вариации грозовой активности и ионосферные возмущения; поэтому следует избегать строгих выводов, вытекающих из любого сравнения с кривой Карнеги (Harrison 2004b). Однако кривая Карнеги широко используется в качестве основного инструмента для определения периодов, в которых PG отражает вариацию GEC, при условии, что данные PG усредняются за достаточно длительный период (Rycroft et al. 2008).Так обстоит дело в текущей рукописи. Кроме того, хотя Харрисон (2013) сообщил о предельной широтной зависимости PG, эффект широты влияет на абсолютные значения PG. Сравнение местного PG с кривой Карнеги было проведено в настоящем исследовании с использованием соответствующих процентных значений средних. В результате такие влияния были устранены. FW – PG следует параллельным курсом к глобальным изменениям, при этом его минимум в 03:00 UTC и вторичный максимум в 19:00 UTC совпадают с экстремумами кривой Карнеги; однако срыв был очевиден во время развития первичного максимума в 04: 00–16: 00 UTC (рис.6). При оценке различий между двумя циклами (DPG = FW – PG, Xanthi как процент от среднего — кривая Карнеги PG как процент от среднего) наибольшее отклонение от кривой Карнеги происходит между 8:00 и 12:00 UTC, с максимальная разница 58% в 9:00 UTC. Это связано с эффектом восхода солнца и аэрозолями, как обсуждалось ранее. В течение 14: 00–16: 00 UTC PG на нашем участке опустился ниже кривой Карнеги, создав отрицательный DPG. Это проседание может быть связано с максимизацией условий конвекции, что привело к увеличению столбчатой ​​нагрузки аэрозоля и последующему уменьшению тока проводимости и PG в соответствии с законом Ома (Серрано и др.2006 г.). DPG оставался отрицательным в течение 16: 00–4: 00 UTC, время, когда PG следовала той же тенденции, что и кривая Карнеги ( r = 0,98, p <0,01), но постепенно уменьшалась по величине в течение ночи. Постепенное подавление пограничного слоя и связанная с этим стратификация атмосферы, которая следовала за пиком конвективных условий, возможно, еще больше усилили улавливание радона (Latha 2007). Последнее может вызвать увеличение отрицательного пространственного заряда над EFM, тем самым уменьшая PG (Israelsson and Tammet 2001).Когда переход к ночной стабильности был завершен, изменчивость факторов, которые могли вызвать большие колебания PG, таких как аэрозоли и радон, была уменьшена, что позволило PG внимательно следить за вариацией Карнеги. DPG между 21:00 и 04:00 UTC упал ниже 25%; что в 01: 00–04: 00 UTC упало ниже 15%, которые считались наиболее предпочтительными часами в течение дня для наблюдений GEC на нашем сайте. Считалось, что те же часы (01: 00–04: 00 UTC) благоприятно отражают наблюдения GEC на континентальной станции геофизической обсерватории Надьченк в Венгрии (Märcz and Harrison 2003).

Рис. 6

Среднее суточное изменение Ксанти «ясная погода» (FW) –потенциальный градиент (PG) с июня 2011 г. по май 2012 г. и стандартная кривая Карнеги. Каждая кривая представлена ​​в процентах от ее среднего значения. Данные стандартной кривой Карнеги (круизы IV, V и VI) были взяты из таблицы II Харрисона (2004c). Вверх и стрелки вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца, соответственно

Чтобы определить, какие месяцы меньше отклоняются от кривой Карнеги и, следовательно, более подходят для наблюдений GEC, DPG между двумя суточными вариациями были рассчитаны заново для каждого месяца с июня 2011 года по май 2012 года (рис.7). Холодные месяцы с октября по март, за исключением ноября, демонстрировали отклонения от кривой Карнеги от низких до умеренных в течение всего дня, тогда как в теплые месяцы с апреля по сентябрь наблюдались большие различия, которые не ограничивались моментами первичного максимума, но также наблюдались во второй половине дня и в начале дня. вечер (рис.7). Такая тенденция снова связана с атмосферной конвекцией, которая в теплые месяцы усиливается. В холодные месяцы атмосфера более стабильна, что приводит к более низким суточным колебаниям концентраций аэрозоля и радона.Это означает, что также уменьшаются изменчивость столбчатого сопротивления и локальной проводимости; таким образом, ионосферные изменения, вызванные глобальной грозовой активностью, могут быть отображены в дневном графике PG. Холодные месяцы также предпочтительны для наблюдений GEC на других континентах (Israelsson and Tammet 2001; Märcz and Harrison 2003; Harrison 2004a; Harrison 2004b; Serrano et al. 2006), в которых ответственным механизмом снова считается сезонность атмосферной конвекции. Отклонение ноября от общей модели холодных месяцев в течение большей части дня можно объяснить усилением атмосферного перемешивания или временным усилением местных факторов, таких как аэрозоли и объемный заряд.

Рис. 7

Разница между хорошей погодой (FW) и градиентом потенциала (PG) в Ксанти и стандартной кривой Карнеги (DPG). DPG представлен как процентная разница от среднего значения в разные месяцы и время суток за период с июня 2011 г. по май 2012 г.

PG и атмосферный CO

₂

Значение микрометеорологии в атмосферном электричестве давно установлено (Israelsson and Oluwafemi 1975), и были проведены исследования корреляции микрометеорологических элементов с PG (Law 1963; Barlow and Harrison 1999; Latha 2007). ).Здесь обсуждается использование атмосферного CO ₂ в качестве индикатора стратификации при оценке PG. Хотя CO ₂ и PG — две переменные совершенно разной природы, на обе они влияют конвективные условия; таким образом, для интерпретации суточного цикла PG используется общий элемент.

На рис. 8 представлены среднесуточные вариации общих значений PG и CO ₂ за период с июня 2011 года по май 2012 года. Используемые здесь значения PG были получены из набора данных AW, за исключением дней с дождем и дней. когда | PG | > 1 кВ м ⁻¹ , последнее указывает на существование сильно заряженных облаков (Bennett and Harrison 2007b).Вышеупомянутые значения были исключены, поскольку они относятся к нарушенным условиям, которые доминируют в вариациях PG без влияния на CO ₂ . Сравнение двух циклов показало обратную связь между PG и CO ₂ ( r ² = 0,36, p значение <0,01), несмотря на изменчивость необычных движущих факторов, таких как аэрозоли, объемный заряд, GEC, фотосинтез и транспирация в течение дня (рис. 8).

Фиг.8

Среднее суточное изменение градиента потенциала (PG) и атмосферного CO ₂ за период с июня 2011 года по май 2012 года. Значения PG были получены из набора данных о всепогодных (AW) условиях, исключая дни, когда выпадало количество осадков или | PG | > 1 кВ м ⁻¹ . Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Ночью, в 21: 00–06: 00 LT, стратификация в атмосфере ограничивала вертикальное перемешивание, что позволяло улавливать радон, что в конечном итоге привело к снижению PG за счет формирования отрицательного пространственного заряда (Latha 2007), в то время как CO ₂ концентрации достигли максимума из-за дыхания и отсутствия фотосинтеза.После 6:00 LT начало условий утреннего перемешивания привело к разбавлению объемных зарядов, и начался фотосинтез, таким образом увеличивая PG и снижая концентрацию CO ₂ . Между 12:00 и 16:00 LT обе кривые следовали параллельной нисходящей тенденции, поскольку вертикальная конвекция постепенно увеличивалась до максимума, дополнительно разбавляя CO ₂ и уменьшая PG за счет увеличения столбчатого сопротивления и последующего уменьшения атмосферы и земли. Текущий. Последний механизм, относящийся к PG, действовал до 18:00 LT.В течение 16: 00–21: 00 LT CO ₂ увеличился из-за постепенного перехода к ночной стратификации и усиления источников CO ₂ , таких как транспирация. PG показывает свой вторичный минимум в 18:00 LT, а затем увеличивается параллельно тренду CO ₂ , представляя глобальную грозовую активность.

Поздний день и ранняя ночь, 18: 00–00: 00 LT, вызвали особый интерес. В то время ожидался пик глобального сигнала, и одновременная эволюция стратификации могла изменить или полностью замаскировать планетарный эффект за счет улавливания радона.

В качестве примера, PG, CO ₂ , DΤ (DT = T _{2,5 м} — T _{1,5 м} ), а WS в 1-минутном временном ряду были исследованы за 1–3 мая 2012 г. (рис. 9). Следует отметить, что в те дни облачность была <1/10, а WS была <5 и <4 м с ⁻¹ в большинстве случаев, что уменьшало вероятность воздействия на PG – CO ₂ сравнение из-за необычных факторов, таких как заряженные облака и унесенная пыль.

Рис. 9

Наблюдения градиента потенциала (PG), CO ₂ , скорости ветра (WS) и вертикального градиента температуры (DT = T _{2,5 м} — T _{1,5 м} ) в период с 1 по 3 мая 2012 г. Данные представлены с разрешением 1 мин. PG и CO ₂ представлены в процентах от соответствующего среднего значения за 3 дня. Вертикальные пунктирные линии обозначают восход и закат

Описывая электродный эффект, Ло (1963) объяснил, что под влиянием FW-PG положительные ионы движутся к земле, а отрицательные ионы отталкиваются от земли, что создает дефицит отрицательных ионов и образование положительно заряженных ионов. заряженный слой близко к земле (электродный слой).В нетурбулентных условиях, таких как те, которые обычно преобладают в ночное время, электродный слой подавляется до глубины порядка нескольких дециметров (Crozier 1963). В случаях интенсивной ионизации, например, при высокой концентрации радона, вызванной улавливанием в условиях ночной стратификации, образовавшиеся отрицательные заряды уходят от уровня земли и поднимаются над неглубоким электродным слоем, таким образом обращая эффект электрода и образуя отрицательный объемный заряд (перевернутый электрод слой), что впоследствии снижает PG (Latha 2007).

Приземный CO ₂ и радон сильно зависят от атмосферного смешения. Таким образом, использование CO ₂ в качестве индикатора улавливания радона и, следовательно, изменчивости PG в ночных нетурбулентных условиях является разумным предположением. Ло (1963) заметил, что отрицательный объемный заряд, создаваемый естественной радиоактивностью в ночное время, тесно связан с градиентом температуры и увеличивается с увеличением стабильности, что, в свою очередь, увеличивает концентрацию CO ₂ .

PG и CO ₂ были обратно коррелированы в ночное время в течение всех 3 дней (рис. 9). Это может быть связано с перевернутым электродным слоем, образовавшимся (разбавленным) при сильной (слабой) стратификации, и соответствующим увеличением (уменьшением) радона и CO ₂ . Ожидается, что незначительные отклонения от этого обратного соотношения будут происходить в основном из-за влияния адвекции аэрозоля или пространственного заряда на PG. Здесь мы отмечаем, что, хотя стабильные ночные условия могут вызвать эффект обратного электрода, тем самым скрывая сигнал GEC, период 01: 00–04: 00 UTC по-прежнему кажется лучшим периодом для наблюдения сигнала GEC на месте (рис.7). Это может быть связано с тем, что эффект обратного электрода достигает установившегося состояния к 01 UTC (03 LT), поэтому добавляется постоянное смещение к PG и позволяет впоследствии минимизировать DPG.

Глобальные колебания PG, ожидаемые между 18:00 и 00:00 LT, не проявлялись каждый день (рис. 9). 1 мая PG показала часть вариации GEC только при нарушении условий штиля (WS> 0,5 м ⁻¹ ), что прервало относительно сильную стратификацию (DT> 0.5 ° C) при одновременном снижении CO ₂ . После этого короткого периода условия штиля вернулись, что привело к повышенной устойчивости (DT увеличивается), что привело к увеличению CO ₂ и уменьшению PG. Следующей ночью, 2 мая, стабильность развивалась без каких-либо серьезных нарушений до пика GEC в 21:00 LT, за исключением короткого периода сразу после захода солнца, когда расслоение немного ослабло. В течение этого короткого периода PG плавно увеличивался, реагируя на колебания GEC, тогда как скорость увеличения CO ₂ была временно снижена.После этого периода CO ₂ продолжил резко увеличиваться и достиг максимума, тогда как PG значительно снизился, изменив полярность, и не показал глобального сигнала. В последнюю ночь, 3 мая, началась ночная стратификация, которая развивалась без помех, вызывая монотонное увеличение CO ₂ и полностью маскируя GEC. PG оставался низким и временами достигал отрицательных значений.

Развитие PG и CO ₂ в те ночи, особенно когда ожидался сигнал GEC, предполагает, что, когда CO ₂ стабильно увеличивается и имеет высокие концентрации, PG подавляется и наблюдение GEC невозможно.Следовательно, изменения CO ₂ в течение стабильных ночей можно дополнительно использовать для классификации дней как подходящих или непригодных для мониторинга GEC, при условии отсутствия факторов, которые могут исключительно изменить PG, таких как заряженные облака над головой и аэрозоли. Кроме того, одноточечные измерения CO ₂ могут использоваться в качестве прокси турбулентности и могут дать информацию об эволюции электрических свойств атмосферы (т. Е. PG). Таким образом устанавливается связь между микрометеорологией, атмосферными газами и атмосферным электричеством.

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.