Полярность электрического поля. Электрическая полярность: свойства, виды и применение в технике и науке — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое электрическая полярность. Какие бывают виды полярности. Как полярность проявляется в различных системах. Где используется знание о полярности в технике и науке.

Содержание

Что такое электрическая полярность

Электрическая полярность — это свойство электрической системы, характеризующее распределение положительных и отрицательных электрических зарядов в ней. Полярность возникает, когда в системе происходит разделение зарядов, в результате чего образуются области с преобладанием положительных и отрицательных зарядов.

Простейшим примером полярной системы является электрический диполь — пара равных по величине, но противоположных по знаку зарядов, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Диполь характеризуется дипольным моментом — векторной величиной, направленной от отрицательного заряда к положительному.

Виды электрической полярности

Можно выделить следующие основные виды электрической полярности:

Постоянная полярность — характерна для систем с фиксированным распределением зарядов, например, для молекул полярных веществ.

Наведенная полярность — возникает под действием внешнего электрического поля в изначально неполярных системах.
Ориентационная полярность — проявляется в поворотах полярных молекул во внешнем поле.
Электронная полярность — связана со смещением электронных оболочек атомов относительно ядер.
Ионная полярность — обусловлена смещением ионов в кристаллических решетках.

Проявление полярности в различных системах

Электрическая полярность играет важную роль во многих физических и химических системах:

Полярность молекул

Молекулы веществ могут быть полярными и неполярными. В полярных молекулах центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, что приводит к возникновению дипольного момента. Примеры полярных молекул: вода (H2O), аммиак (NH3). Неполярные молекулы (O2, N2) не обладают дипольным моментом.

Полярность диэлектриков

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле происходит его поляризация — смещение связанных зарядов и ориентация полярных молекул. В результате на поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, ослабляющие внешнее поле внутри диэлектрика.

Полярность в электрохимии

В электрохимических системах полярность проявляется в распределении зарядов на границе электрод-электролит, образовании двойного электрического слоя. Это лежит в основе работы гальванических элементов, аккумуляторов, электролизеров.

Применение знаний о полярности

Понимание явлений электрической полярности широко используется в науке и технике:

Применение в электротехнике

В электрических цепях постоянного тока необходимо соблюдать правильную полярность подключения источников питания и потребителей. Это особенно важно для работы полупроводниковых приборов, электрохимических устройств.

Использование в химии

Полярность молекул определяет многие физико-химические свойства веществ — растворимость, температуры кипения и плавления, способность к химическим реакциям. Это учитывается при синтезе новых соединений, разработке технологических процессов.

Применение в биологии

Электрическая полярность играет важную роль в функционировании биологических мембран, проведении нервных импульсов, работе ионных каналов клеток. Это используется в биофизических исследованиях, разработке лекарственных препаратов.

Методы измерения и контроля полярности

Для определения и контроля электрической полярности применяются различные методы:

Измерение разности потенциалов вольтметрами
Определение направления тока амперметрами
Использование индикаторов полярности
Применение осциллографов для визуализации сигналов
Измерение дипольных моментов молекул

Выбор конкретного метода зависит от типа исследуемой системы и требуемой точности измерений.

Влияние полярности на электрические разряды

Электрическая полярность оказывает существенное влияние на развитие электрических разрядов в газах:

Коронный разряд

В резконеоднородных электрических полях (например, острие-плоскость) возникает коронный разряд. Его характеристики зависят от полярности электродов:

При положительной полярности острия образуется «положительная» корона с яркой светящейся областью у острия.
При отрицательном острие возникает «отрицательная» корона с менее интенсивным свечением.

Стримерный разряд

Полярность электродов влияет на развитие стримеров — тонких разрядных каналов в газе:

Положительные стримеры (от анода) развиваются быстрее и при меньших напряжениях.
Отрицательные стримеры (от катода) возникают при более высоких напряжениях и распространяются медленнее.

Пробой газового промежутка

Напряжение пробоя газового промежутка зависит от полярности электродов. В системе острие-плоскость:

При положительной полярности острия пробой наступает при меньших напряжениях.
Отрицательная полярность острия требует более высоких пробивных напряжений.

Это явление называется эффектом полярности и широко используется в высоковольтной технике.

Применение знаний о полярности разрядов

Понимание влияния полярности на характеристики электрических разрядов находит применение в различных областях:

Высоковольтная техника

При проектировании высоковольтного оборудования учитывают эффект полярности для:

Выбора оптимальной конфигурации электродов
Расчета изоляционных промежутков
Разработки систем молниезащиты

Плазменные технологии

В плазмохимии и технологиях плазменной обработки материалов полярность электродов влияет на:

Скорость и направление плазмохимических реакций
Интенсивность ионной бомбардировки поверхности
Распределение температуры в разряде

Электрофильтры

В устройствах электрической очистки газов от пыли и аэрозолей полярность коронирующих электродов определяет:

Эффективность зарядки частиц
Скорость дрейфа заряженных частиц
Вероятность вторичного уноса осажденных частиц

Таким образом, учет электрической полярности позволяет оптимизировать работу различных технических устройств и технологических процессов.

Электрическая полярность — Electrical polarity

Электрическая полярность — это термин, используемый во всех отраслях и областях, связанных с электричеством. Есть два типа полюсов: положительный (+) и отрицательный (-). Это представляет собой электрический потенциал на концах цепи. Аккумулятор имеет положительную клемму (+ полюс) и отрицательную клемму (- полюс). Для соединения электрического устройства почти всегда требуется соблюдение правильной полярности. Правильная полярность важна для работы вакуумных ламп и полупроводниковых устройств, многих электродвигателей , электрохимических ячеек , электрических инструментов и других устройств.

Текущее направление

Обычный ток течет от положительного полюса (клеммы) к отрицательному. Электроны текут от отрицательного к положительному. В цепи постоянного тока (DC) ток течет только в одном направлении, и один полюс всегда отрицательный, а другой полюс всегда положительный. В цепи переменного тока (AC) два полюса чередуются между отрицательным и положительным, а направление тока (поток электронов) периодически меняется на противоположное.

Условные обозначения для идентификации

Символы полярности используются там, где необходимо определить полярность клеммы или провода. Электрический цветовой код или другие соглашения может быть использованы. В цепях постоянного тока положительный полюс обычно обозначается красным (или «+»), а отрицательный полюс — черным (или «-»), но в автомобильных и телекоммуникационных системах иногда используются другие цветовые схемы.

В автомобильном аккумуляторе положительный полюс обычно имеет больший диаметр, чем отрицательный. В современных автомобилях отрицательная клемма аккумулятора подключена к кузову автомобиля, а положительная клемма обеспечивает провод под напряжением к различным системам. Старые автомобили были построены с положительной клеммой аккумулятора, прикрепленной к шасси.

Системы переменного тока

В системах переменного тока два провода цепи меняют полярность много раз в секунду. В системах электроснабжения все провода с одинаковой мгновенной полярностью в любой момент будут иметь общую схему маркировки, например цвет провода. В зависимости от условных обозначений, используемых для электромонтажа системы питания, цветовая кодировка или другая маркировка также может указывать на дополнительные свойства проводника, такие как его роль в качестве нейтрали в силовой цепи. В многофазной системе переменного тока идентификация проводов, принадлежащих к общей фазе, важна для обеспечения правильной работы цепи.

Если цепи переменного тока используются для передачи таких сигналов, как аудио, полярность также требуется для обеспечения надлежащего функционирования системы. Например, комплект громкоговорителей, используемых для воспроизведения стереозвука, будет иметь все клеммы устройств и проводку, помеченные для обеспечения одинаковой мгновенной полярности, чтобы результирующий звук, производимый каждым элементом громкоговорителя, имел одинаковую фазу и правильно складывался для уха слушателя.

Проверка полярности

Такие инструменты, как аналоговые вольтметры, будут показывать увеличение шкалы, когда отрицательный провод прибора подключен к отрицательному полюсу тестируемого устройства, а положительный провод — к положительному выводу.

Уилфорд I Саммерс, Справочник американских электриков, одиннадцатое издание , McGraw Hill, 1987, ISBN 0-07-013932-6 , стр. 1-55

внешняя ссылка

Поляризация диэлектриков в электрическом поле — Студопедия

Действие электрического поля на организм

Поляризацией вещества в электрическом поле называют явление, обусловленное упорядочением в этом веществе связанных электрических зарядов, которые ориентируются так, что образуемое ими дополнительное электрическое поле направлено в сторону, противоположную внешнему полю. Поляризация в диэлектриках связана с существованием в диэлектрике или образованием в нем под действием электрического поля электрических диполей, т. е. систем, состоящих из двух равных, но противоположных по знаку зарядов q, находящихся на расстоянии l друг от друга.

Основная характеристика диполя – его дипольный момент р, т. е. вектор, численно равный произведению величины заряда на длину диполя (p = ql) и направленный от отрицательного заряда к положительному. Поляризация может быть вызвана несколькими качественно различными причинами.

Ориентационная поляризация. Молекулы некоторых диэлектриков обладают электрической асимметрией даже в отсутствие внешнего электрического поля. Таковы молекулы воды, солей, щелочей и кислот, спиртов, белков и других биополимеров. Вследствие беспорядочного теплового движения дипольные моменты таких молекул ориентированы хаотично и векторная сумма всех дипольных моментов в диэлектрике равна нулю (рис. а). Если поместить диэлектрик в электрическое поле с напряженностью E₀ то диполи будут поворачиваться, стремясь установиться вдоль вектора напряженности поля. Однако этому процессу препятствует тепловое движение. Под действием поля и теплового движения устанавливается равновесие, при котором полярные молекулы приобретают в среднем направленную ориентацию (рис. ). Весь же диэлектрик приобретает дипольный момент в направлении поля, что и означает его поляризацию. Для поворота дипольных молекул в направлении вектора напряженности требуется совершить работу, и поэтому часть энергии поля при поляризации теряется, а диэлектрик нагревается.

Степень поляризации диэлектрика характеризуют дипольным моментом единицы объема (или вектором поляризации среды) Р, который равен произведению дипольного момента каждой молекулы на число молекул N, содержащихся в единице объема {P = pN). Установление поляризации при включении электрического поля и исчезновение поляризации при его выключении происходят по экспоненциальному закону

где Р_вкл и Р_выкл – соответственно дипольные моменты единицы объема при включении и выключении поля; Р_¥– дипольный момент через бесконечно большое время после включения поля; t – время релаксации, т. е. время, в течение которого дипольный момент увеличивается или уменьшается в е раз. Процесс установления и исчезновения поляризации показан на рисунке. Время релаксации для ориентационной поляризации в различных диэлектриках находится в пределах от 10^–11 до 10^–12 с. Есть, однако, материалы, содержащие микронеоднородности, для которых время релаксации может достигать минут и даже часов.

Электронная поляризация. Отдельные атомы не обладают дипольными моментами. Отсутствуют они и у некоторых молекул, в которых заряды атомных электронов и ядер расположены так, что «центры тяжести» положительных и отрицательных зарядов совпадают. Диэлектрик, образованный атомами или такими молекулами, называют нейтральным. Если атомы или нейтральные молекулы попадают в электрическое поле, то электронные оболочки смещаются в сторону, противоположную направлению вектора напряженности поля, электрическая симметрия нарушается и как сами молекулы, так и образованное ими тело приобретают дипольный момент. Этот процесс носит название электронной поляризации. В связи с ничтожно малой массой электрона время релаксации при этом гораздо меньше, чем при ориентационной поляризации (10^–16–10^–14 с). Дипольный момент диэлектрика при электронной поляризации, как правило, невелик, и потерь энергии практически не происходит.

Ионная поляризация.Это процесс, происходящий в кристаллических диэлектриках с кубическими ионными решетками (NaCl, CsCl и др). Под действием электрического поля положительные ионы смещаются в направлении вектора напряженности, а отрицательные – в противоположную сторону. Время релаксации 10^–¹³–10^–¹² с.

Все виды поляризации приводят к тому, что на поверхности диэлектрика в электрическом поле появляются связанные электрические заряды, создающие дополнительное электрическое поле, напряженность которого Е_анаправлена противоположно вектору напряженности внешнего поля Е_о. В результате напряженность поля в диэлектрике равна Е = Е_о–Е_п. Степень уменьшения напряженности поля в диэлектрике по сравнению с напряженностью поля в вакууме определяется относительной диэлектрической проницаемостью вещества e = Е₀/Е_п. Величина e для газов близка к единице (от 1,0001 до 1,01), для неполярных жидкостей она находится в пределах от 2 до 2,5, для жидкостей с полярными молекулами – от 10 до 81 и для твердых диэлектриков– от 2 до 8. Существуют некоторые вещества (сегнетоэлектрики), для которых значения e достигают сотен и тысяч и, кроме того, меняются в зависимости от величины внешнего электрического поля. Для биологических тканей значения e в постоянном электрическом поле велики по причинам, которые будут указаны ниже.

Величина диэлектрической проницаемости зависит от температуры. На электронную поляризацию температура оказывает очень слабое влияние, но для полярных диэлектриков зависимость е от температуры довольно значительна. При низких температурах вязкость жидкого диэлектрика обычно велика, и полярные молекулы испытывают сопротивление при поворотах вдоль вектора напряженности поля. С увеличением температуры вязкость снижается, сопротивление среды повороту молекул уменьшается, и количество связанных зарядов на поверхностях диэлектрика возрастает, что ведет к увеличению диэлектрической проницаемости. При дальнейшем повышении температуры тепловое движение затрудняет ориентацию молекул и диэлектрическая проницаемость уменьшается.

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, то через него в течение краткого времени после включения электрического поля проходит ток, поскольку при поляризации происходит смещение электрических зарядов. Ток, соответствующий электронной поляризации, I/_э существует очень малый промежуток времени, сравнимый со временем релаксации (~10^–15 с). Ориентационная поляризация протекает медленнее, и связанный с ней ток I_ор существует дольше. Кроме того, в каждом реальном диэлектрике имеется большее или меньшее число свободных электронов или ионов, которые под действием внешнего поля создают ток проводимости I_пр. Таким образом, в диэлектрике под действием внешнего поля протекает ток I = I_пр + I_o_р + I_э. Если диэлектрик находится в постоянном электрическом поле, то токи I_э и I_o_р быстро прекращаются и остается только ток I_пр, величина которого определяется количеством свободных электронов в диэлектрике.

Разряд в неоднородных полях. Эффект полярности — Студопедия

К типичным промежуткам с неоднородным полем относятся: стержень — стержень, стержень–плоскость, провод–земля и другие реальные изоляционные промежутки

Основные закономерности развития разряда в любых резконеоднородных полях (K_H> 4 ) практически одинаковы. При некотором начальном напряжении U_Нв промежутке возникает самостоятельный разряд в лавинной форме, т. к. вблизи стержня имеется область с напряженностью, превышающей значение, соответствующее возникновению самостоятельной формы разряда. Разряд локализуется в этой области, а вторичные лавины поддерживаются либо за счет фотоионизации из объема газа (при положительной полярности стержня), либо за счет фотоэмиссии или автоэлектронной (холодной) эмиссии с катода (при отрицательной полярности стержня). Такой разряд называется коронным разрядомв лавинной форме. Значение напряжения и напряженности поля на электроде при возникновении коронного разряда зависит от степени неоднородности поля. С увеличением степени неоднородности напряженность на электроде-стержне увеличивается, а напряжение возникновения короны уменьшается.

При увеличении напряжения свыше U_H, когда количество электронов в лавине возрастает, она переходит в плазменное состояние и в промежутке возникает стример. Если в однородном поле возникший стример пересекает весь межэлектродный промежуток, то в резконеоднородном поле в зависимости от величины напряжения стример, пройдя некоторое расстояние, может остановиться. При этом плазма его распадается, но вблизи острия возникают новые стримеры, которые также останавливаются и их плазма распадается.

Такое состояние разряда устойчивое, т.к. выполняется условие самостоятельности разряда. Случай, когда стримеры не достигают противоположного электрода, получил название коронного разряда в стримерной форме.

Для пробоя всего межэлектродного промежутка необходимо еще увеличить напряжение. Тогда образуется канал, который продвигается от электрода с повышенной напряженностью (острие) к противоположному электроду. При пересечении искровым каналом всего промежутка он преобразуется в электрическую дугу, что означает завершение пробоя. В резконеоднородных полях напряжение пробоя всегда больше напряжения возникновения коронного разряда в любой форме.

В слабонеравномерных полях коронное и разрядное напряжения практически совпадают друг с другом, влияние полярности невелико.

В сильнонеравномерном поле коронное напряжение намного ниже разрядного, полярность при несимметричных электродах оказывает существенное влияние на величину разрядного напряжения.

При положительном острие (рис.1.3, а) имеющиеся в промежутке электроны, двигаясь к острию в область сильного поля, совершают ударную ионизацию и образуют лавину электронов. Когда лавина доходит до острия, электроны лавины нейтрализуются на аноде, а положительные ионы вследствие малой скорости движения остаются у острия и создают положительный объемный заряд, который обладает собственным электрическим полем E_q. В результате сложения поля объемного заряда и внешнего электрического поля E_q + E_вн результирующее поле несколько уменьшается у острия и увеличивается в объеме между положительным объемным зарядом и плоскостью.

Рис. 1.3. Развитие разряда в промежутке стержень–плоскость

При дальнейшем увеличении напряжения лавина электронов возникает в области наибольшей напряженности электрического поля – справа от объемного заряда. Лавина электронов и объемный заряд создают зародыш анодного стримера, заполненный плазмой. Головка стримера имеет избыточный положительный заряд, что усиливает поле и обеспечивает образование новых лавин и прорастание стримера до противоположного электрода – плоскости, т. е. облегчает пробой.

При отрицательной полярности острия (рис. 1.3, б), появившиеся у катода электроны образуют лавину, двигающуюся к плоскости. Выйдя из сильного поля острия электроны теряют энергию и перестают производить ионизацию. Часть электронов достигает анода, а часть образует при столкновениях отрицательные ионы. Образующийся у острия объемный положительный заряд усиливает поле у стержня и ослабляет в остальной части пространства.

При отрицательной полярности иглы образование лавин начинается между стержнем и объемным зарядом – катодная лавина. Вследствие этого вокруг стержня образуется плазменный слой, который увеличивается с повышением напряжения. Напряженность поля на поверхности слоя растет и начинается образование лавин справа от объемного заряда. Образование катодных стримеров происходит в области с более низкой напряженностью электрического поля, что затрудняет развитие стримера. Скорость их оказывается на порядок ниже, чем скорость положительного стримера при положительной игле. В результате разрядные напряжения при отрицательной игле в 2–2,5 раза выше, чем при положительной. Это и есть проявление эффекта полярности. При небольших промежутках (8–10 см) их электрическая прочность составляет 8–15 кВ/см.

Применение барьеров

Электрическая прочность системы с резконеравномерным полем может быть повышена за счет барьеров (рис. 1.4). В качестве барьеров используют твердые диэлектрики (электрокартон, гетинакс и др.). При наличии барьера напряженность электрического поля на участке острие – барьер снижается, а на участке барьер–плоскость – возрастает. Поле становится более однородным.

Рис. 1.4. Барьер в резконеоднородном поле

При отрицательном острие барьер задерживает двигающиеся к плоскости электроны, которые образуют на его поверхности отрицательные ионы и тем самым создается концентрированный отрицательный заряд.

При положительном острие он также задерживает положительные ионы, которые растекаются по его поверхности, т. о. формируя как бы положительную плоскость.

Наиболее эффективным является расположение барьера на расстоянии (0,2-0,3)L от иглы. В этом случае разрядные напряжения при положительной игле увеличиваются более чем в два раза, а при отрицательной – не уменьшаются. Расположение барьера у иглы не дает большого эффекта, т.к. при положительной игле ионы располагаются на барьере неравномерно, а при отрицательной – электроны летят с большой скоростью и проходят через барьер, т. е. отрицательный заряд не создается.

Диполь в электрическом поле. Поляризация диэлектриков. — Студопедия

Электрическим диполем называется система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние между которыми значительно меньше расстояний до тех точек, в которых определяется поле диполя.

Прямая, проходящая через оба заряда, называется осью диполя.

Вектор, соединяющий заряды и направленный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя.

Диполь характеризуется электрическим или дипольным моментом.

Электрический момент диполя (дипольный момент) — это вектор, численно равный произведению заряда диполя на его плечо и сонаправленный с плечом диполя.

В однородном электрическом поле диполь будет поворачиваться и располагаться вдоль силовых линий. Силы, действующие на оба заряда, равны и противоположно направлены, такая пара сил лишь вращает диполь.

В неоднородном поле силы имеют разную величину, поэтому диполь будет не только вращаться, но и втягиваться в область более сильного поля.

Диэлектриками (изоляторами) называются вещества, не способные проводить электрический ток. Диэлектрики не имеют свободных зарядов. Заряды, входящие в состав молекул диэлектрика, называются связанными. Под действием поля они могут немного смещаться из своих положений равновесия, но покинуть молекулу не могут.

Молекулы диэлектрика электрически нейтральны, т.к. содержат равное число положительных и отрицательных зарядов.

Диэлектрик называется неполярным, если электроны атомов в его молекулах расположены симметрично относительно ядер (Н₂, О₂, СС1₄). При этом центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают в отсутствие внешнего электрического поля (1=0) и дипольный момент молекулы равен нулю.

Диэлектрик называется полярным, если электроны располагаются несимметрично относительно ядер атомов, составляющих молекулу (Н₂О, НС1, NH₃). В таких молекулах центры тяжести положительных и отрицательных зарядов не совпадают, находясь, практически, на постоянном расстоянии 1 друг от друга. Такие молекулы обладают постоянным дипольным моментом и по своим электрическим свойствам подобны жестким диполям.

Действие внешнего электрического поля на полярную молекулу сводится в основном к стремлению повернуть молекулу так, чтобы ее дипольный момент ориентировался вдоль поля. На величину внешнее поле практически не влияет.

В неполярной молекуле под действием поля электрические заряды смещаются друг относительно друга, молекула приобретает дипольный момент, величина которого пропорциональна напряженности поля.

Таким образом, в отсутствии внешнего поля дипольные моменты молекул диэлектрика либо равны нулю (у неполярных), либо распределены в пространстве хаотически (у полярных), так что суммарный дипольный момент диэлектрика равен нулю.

Под действием внешнего поля вследствие ориентации дипольных моментов молекул диэлектрик поляризуется, результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля, на поверхности диэлектрика появляются связанные электрические заряды.

Поляризация диэлектрика означает, что результирующий дипольный момент диэлектрика становится отличным от нуля.

В качестве величины, характеризующей степень поляризации диэлектрика, естественно взять дипольный момент единицы объема. Если поле или диэлектрик (или они оба) неоднородны, степень поляризации в различных точках будет различна.

Вектором поляризации (поляризованностью) называется отношение дипольного момента малого объема DV диэлектрика к величине этого объема

Таким образом, поляризованность определяется дипольным моментом единицы объема диэлектрика.

У изотропных диэлектриков любого типа поляризованность прямо пропорциональна напряженности поля в той же точке:

где — диэлектрическая восприимчивость диэлектрика, безразмерная, постоянная для данного диэлектрика величина.

По способности смешаться относительно положения равновесия под действием внешнего электрического поля заряды условно делят на свободные и связанные.

Свободными называют заряды, способные свободно перемещаться в теле под действием внешнего электрического поля (валентные электроны в проводниках, электроны и дырки в полупроводниках).

Связанными называют заряды, входящие в состав молекул диэлектриков, которые под действием внешнего электрического поля могут лишь смешаться из своего положения равновесия, но покинуть молекулу не могут.

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле пластину из однородного диэлектрика; при этом диэлектрик поляризуется, внутри диэлектрика возникает поле связанных зарядов ,

s — поверхностная плотность свободных зарядов,

s¢ — поверхностная плотность связанных зарядов.

результирующее поле внутри диэлектрика,

(4)

Т.к. по определению а

показывает, во сколько раз поле ослабляется в диэлектрике.

(5)

Подставим (5) в (4)

— связь s¢ с s

(6)

Подставим (6) в (5):

— связь с Е.

Можно доказать, что .

Установим связь с .

Полный дипольный момент пластинки диэлектрика равен

где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина.

С другой стороны, пластинку можно рассматривать как диполь, полный дипольный момент которого равен

Таким образом, ,

где S— площадь грани.

Поверхностная плотность связанных зарядов равна поляризованности диэлектрика .

Установим связь между e и х:

Т.к. то

Помимо основного вектора в теории электричества оказывается необходимо ввести еще вектор электрической индукции (или вектор смещения).

Источником вектора служат свободные и связанные заряды.

Источником вектора служат только свободные заряды.

Как связаны между собой в однородном диэлектрике эти вектора?

Вектор представляет поле свободных и связанных зарядов, вектор — только поле свободных зарядов. Известно, что связанные заряды возникают из-за поляризации диэлектрика полем свободных зарядов. Поле связанных зарядов параллельно полю свободных, направлено в противоположную сторону и пропорционально ему, поэтому вектор и в однородном и изотропном диэлектрике должны быть параллельны и пропорциональны друг другу.

Поскольку в однородной среде с диэлектрической проницаемостью e поле свободных зарядов ослабляется средой в e раз, можно записать

где — коэффициент пропорциональности в СИ.

Таким образом, .

=1 .

Векторы и в изотропном диэлектрике параллельны, но численно не совпадают, т.е. плотность линий разная.

Вектор электрической индукции равен произведению скалярной величины на вектор электрической напряженности.

Установим связь между

— характеризует поле свободных зарядов;

характеризует поле связанных зарядов;

характеризует поле свободных и связанных зарядов.

Электрическая полярность — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Электрическая полярность

Cтраница 1

Электрическая полярность присуща любой растительной и животной клетке. Разность потенциалов между внутренней частью клетки и внешним раствором составляет 100 — 150 мв; внутренняя часть клетки заряжена отрицательно относительно внешней среды. Эта разность потенциалов сосредоточена на мембране толщиной всего 50 — 100 А, что обусловливает напряженность электрического поля 100000 в / см, которое способно переносить органические и неорганические ионы через мембрану. [1]

Электрическая полярность молекулы выражается ее дипольным моментом. Если х равно заряду электрона ( 4 80 — 10 — 10 эл. Важно понять, что дипольный момент — величина векторная, так как он обладает определенным направлением наряду с величиной. Примем произвольное условие, что вектор направлен в сторону отрицательного конца диполя. [2]

Кристаллические оси снова параллельны, но электрическая полярность имеет обратный знак, а поляризованный свет вращается в двух областях в противоположных направлениях. [3]

Ипотеза эта искала причину химического соединения в электрической полярности атомов — и электрическом притяжении, и принимала, что в известных телах преобладает электричество положительное, в других — отрицательное; что, смотря по взаимному отношению разнородных электричеств, принадлежащих двум соединяющимся телам, одно из этих тел является электроположительной, другое — электроотрицательной составной частью. Полагали, что одно и то же тело может быть электроположительным в соединении с некоторыми электроотрицательными телами и электроотрицательным в других соединениях, образуемых им с веществами более электроположительными, чем оно само; согласно этому, тело, выделяющееся на аноде при электролизе одного из соединений, может выделяться на катоде при электролизе какого-либо другого его соединения. [4]

Объяснив различие химических свойств кислот и оснований электрической полярностью кислотных и основных окислов, дуалистическая теория ликвидировала одно из противоречий кислородной теории кислот. [5]

Аккумулятор состоит из двух пластин ( электродов) различной электрической полярности, погруженных в электролит, находящийся в сосуде. В зависимости от состава электролита аккумуляторы подразделяют на кислотные и щелочные. У кислотных аккумуляторов электролитом служит 25 — 32 % — ный раствор химически чистой серной кислоты в дистиллированной воде, а у щелочных — 20 % — ный раствор едкого кали. [7]

Элементы всех трамвайных тяговых сетей нашей страны имеют следующую электрическую полярность: контактная сеть питается от шины тяговой подстанции положительной полярности, а рельсовая сеть Соединена с шиной отрицательной полярности. [8]

Главн

Диэлектрики в электростатическом поле — Класс!ная физика

Диэлектрики в электростатическом поле

Подробности: Просмотров: 344

«Физика — 10 класс»

Какое влияние оказывают на электростатическое поле тела, не являющиеся проводниками?
Для выяснения этого вопроса надо ближе познакомиться со строением таких тел.

У изолятора или диэлектрика электрические заряды, а точнее, электрически заряженные частицы — электроны и ядра в нейтральных атомах связаны друг с другом. Они не могут, подобно свободным зарядам проводника, перемещаться под действием электрического поля по всему объёму тела.

Различие в строении проводников и диэлектриков приводит к тому, что они по- разному ведут себя в электростатическом поле. Электрическое поле может существовать внутри диэлектрика.

Чтобы понять, как незаряженный диэлектрик создаёт электрическое поле, сначала познакомимся с электрическими свойствами нейтральных атомов и молекул.

Изоляторы в физике обычно называют диэлектриками от греческого «диа» — через и английского «электрик» — электрический (термином «диэлектрики» обозначают вещества, через которые передаются электромагнитные взаимодействия)

Атомы и молекулы состоят из положительно заряженных частиц — ядер и отрицательно заряженных частиц — электронов.

На рисунке 14.17 изображена схема простейшего атома — атома водорода. Положительный заряд атома (заряд ядра) сосредоточен в его центре.

Электрон движется в атоме с большой скоростью. Один оборот вокруг ядра он делает за очень малое время, порядка 10-15 с. Поэтому, например, уже за 10 9 с он успевает совершить миллион оборотов и, следовательно, миллион раз побывать в двух любых точках 1 и 2, расположенных симметрично относительно ядра. Это даёт основание считать, что в среднем по времени центр распределения отрицательного заряда приходится на середину атома, т. е. совпадает с положительно заряженным ядром.

Однако так обстоит дело не всегда. Рассмотрим молекулу поваренной соли NaCl (рис. 14.18).

Атом натрия имеет во внешней оболочке один валентный электрон, слабо связанный с атомом. У атома хлора семь валентных электронов. При образовании молекулы единственный валентный электрон натрия захватывается хлором. Оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Положительный и отрицательный заряды не распределены теперь симметрично по объёму молекулы: центр распределения положительного заряда приходится на ион натрия, а отрицательного — на ион хлора.

Электрический диполь.

На большом расстоянии такую молекулу можно приближённо рассматривать как электрический диполь (рис. 14.19).

Электрическим диполем называют систему двух равных по модулю, но противоположных по знаку зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Два вида диэлектриков.

Существующие диэлектрики можно разбить на два вида:

полярные, состоящие из таких молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают;

неполярные, состоящие из атомов или молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают. Следовательно, молекулы у этих двух видов диэлектриков разные.

К полярным диэлектрикам относятся спирты, вода и другие вещества; к неполярным — инертные газы, кислород, водород, бензол, полиэтилен и др.

Поляризация полярных диэлектриков.

Полярный диэлектрик состоит из молекул, которые можно рассматривать как электрические диполи. Тепловое движение приводит к беспорядочной ориентации диполей (рис. 14.26), поэтому на поверхности диэлектрика, а также и в любом его объёме, содержащем большое число молекул (выделенный прямоугольник на рисунке 14.26), электрический заряд в среднем равен нулю.

Напряжённость электрического поля в диэлектрике в среднем также равна нулю.

Поместим диэлектрик в однородное электрическое поле. Со стороны этого поля на каждый электрический диполь будут действовать две силы, одинаковые по модулю, но противоположные по направлению (рис. 14.27, а).

Они создадут момент сил, стремящийся повернуть диполь так, чтобы его ось была направлена по силовым линиям поля (рис. 14.27, б). При этом положительные заряды смещаются в направлении электрического поля, а отрицательные — в противоположную сторону.

Смещение положительных и отрицательных связанных зарядов диэлектрика в противоположные стороны называют поляризацией.

Однако тепловое движение препятствует созданию упорядоченной ориентации всех диполей. Только при температуре, стремящейся к абсолютному нулю, все диполи выстраивались бы вдоль силовых линий. Таким образом, под влиянием поля происходит лишь частичная ориентация электрических диполей. Это означает, что в среднем число диполей, ориентированных вдоль поля, больше, чем число диполей, ориентированных против поля.

На рисунке 14.28 видно, что у положительно заряженной пластины на поверхности диэлектрика появляются преимущественно отрицательные заряды диполей, а у отрицательно заряженной — положительные. В результате на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд. Внутри диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга и средний поляризованный связанный электрический заряд по-прежнему равен нулю.

Поляризация неполярных диэлектриков.

Неполярный диэлектрик в электрическом поле также поляризуется. Под действием поля положительные и отрицательные заряды его молекулы смещаются в противоположные стороны и центры распределения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать, как и у полярной молекулы. Молекулы растягиваются (рис. 14.29). Такие деформированные молекулы можно рассматривать как электрические диполи, оси которых направлены вдоль поля. На поверхностях диэлектрика, примыкающих к заряженным пластинам, появляются связанные заряды противоположного знака, как и при поляризации полярного диэлектрика.

В результате поляризации возникает поле, создаваемое связанными поляризованными зарядами и направленное против внешнего поля (рис. 14.30).

Если напряжённость внешнего поля Е₀, а напряжённость поля, создава емого поляризованными зарядами, Е₁, то напряжённость поля внутри ди электрика равна:

Е = Е₀ — Е₁.

Поле внутри диэлектрика ослабляется. Степень ослабления поля зависит от свойств диэлектрика.

Физическая величина, равная отношению модуля напряжённости поля Е₀ в вакууме к модулю напряжённости поля Е в диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества

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

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

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

Полярность молекул воды | Электрический заряд и электрическое поле

Полярность молекул воды

Лучшим примером такого экранирования заряда является молекула воды, представленная как \ ({\ text {H}} _ {2} \ text {O} \). Вода — это сильно полярная молекула . Его 10 электронов (8 от атома кислорода и 2 от двух атомов водорода) стремятся оставаться ближе к ядру кислорода, чем ядра водорода. Это создает два центра с равными и противоположными зарядами — так называемый диполь , как показано на этом рисунке.{-} \). Эти ионы находятся как внутри, так и вне живых клеток. Движение этих ионов через клеточные мембраны имеет решающее значение для движения нервных импульсов через аксоны нервов.

Недавние исследования электростатики в биологии, кажется, показывают, что электрические поля в клетках могут распространяться на большие расстояния, несмотря на экранирование, с помощью «микротрубочек» внутри клетки. Эти микротрубочки представляют собой полые трубки, состоящие из белков, которые направляют движение хромосом при делении клеток, движение других организмов внутри клетки и обеспечивают механизмы движения некоторых клеток (в качестве двигателей).{+} \) указывают на то, что кислородная сторона молекулы \ ({\ text {H}} _ {2} \ text {O} \) имеет тенденцию быть более отрицательной, в то время как концы водорода имеют тенденцию быть более положительными. Это приводит к притяжению противоположных зарядов между молекулами.

[Атрибуция и лицензии]

Physics for Science & Engineering II

2.5 Диполь во внешнем электрическом поле от Office of Academic Technologies на Vimeo.

2,5 Диполь во внешнем электрическом поле

Рассмотрим теперь электрический диполь во внешнем электрическом поле.Хорошо, до сих пор мы рассматривали такие взаимодействия, при которых заряд источника генерирует собственное электрическое поле. И мы рассчитали это электрическое поле по закону Кулона. И это было так, что в самом общем виде для распределения интеграл dq по 4 Пи Эпсилон ноль r возведен в квадрат. И мы также упоминали ранее, что если вы поместите любой другой заряд, q другой, в область этого электрического поля, это электрическое поле будет оказывать кулоновскую силу на этот другой заряд. Другими словами, эта сила, кулоновская сила, была равна этому другому заряду, умноженному на электрическое поле, создаваемое источником.

Электрическое поле здесь становится электрическим, внешним электрическим полем для этого другого заряда. Конечно, это взаимодействия один на один. Этот другой заряд будет генерировать собственное электрическое поле, и это электрическое поле станет внешним электрическим полем для источника на этой картинке. Тогда это тоже приложит силу, кулоновскую силу, к этому заряду.

Опять же, до сих пор мы имели дело с этой частью взаимодействий. Другими словами, как электрическое поле генерируется из его источника.

Теперь мы рассмотрим пример, когда заряд, помещенный заряд или заряды, помещается во внешнее электрическое поле. А для этого воспользуемся электрическим диполем. Как вы помните, электрический диполь — это система с двумя точечными зарядами, равными по величине и противоположными знаками, разделенными очень небольшим расстоянием. И поместим диполь во внешнее электрическое поле.

Предположим, что у нас есть внешнее электрическое поле и интересующая нас область, указывающая вправо, в этой форме.И это однородное электрическое поле. Равномерное внешнее электрическое поле. Замените диполь внутри этой области, электрический диполь, с положительным зарядом q, отделенным от отрицательного q на небольшое расстояние d, расстояние разделения.

Как только мы помещаем эти заряды во внешнее электрическое поле, это электрическое поле немедленно оказывает на них кулоновскую силу. Для положительного заряда эта сила будет в q раз больше электрического поля. Следовательно, он будет указывать в одном направлении с электрическим полем, внешним электрическим полем.И это будет равно q, умноженному на вектор электрического поля.

Точно так же отрицательный заряд также будет находиться под влиянием кулоновской силы, создаваемой этим внешним электрическим полем. И это будет равно минус qe. Следовательно, он будет указывать в направлении, противоположном направлению электрического поля. Здесь сила на этом заряде будет минус qe.

Поскольку эти два заряда имеют одинаковую величину, величина этих сил будет одинаковой. Но если мы посмотрим на ориентацию этих сил, мы легко увидим, что под влиянием этих двух сил, если мы потянем систему с силой f вправо и потянем ее, минус q, с силой f к left, то мы вызовем вращение.

Другими словами, система будет вращаться по часовой стрелке. Как вы помните, физическая величина, вызывающая вращение, называется крутящим моментом. Это означает, что это вращение будет означать наличие крутящего момента.

Теперь мы попытаемся определить величину и направление этого крутящего момента. Естественно, эта система будет вращаться вокруг оси, проходящей через ее центр. Как вы помните, крутящий момент определялся как пересечение вектора положения с вектором силы.

Вектор положения r определяется как, он проводится от оси вращения до точки приложения силы.Чтобы определить направление результирующего вектора, нам нужно знать направление этих двух векторов, которые мы берем в виде перекрестного произведения. Как вы помните, когда мы берем перекрестное произведение двух векторов, мы получаем новый вектор. Другими словами, количество, физическая величина, имеющая как величину, так и свойства направления.

И чтобы иметь возможность определять направление результирующего вектора, если исходные векторы не заданы в терминах их компонентов по отношению к системе координат, единственный способ, которым мы можем определить направление результирующего вектора из перекрестного произведения применяется правило правой руки.Правило правой руки гласит, что мы держим пальцы правой руки в направлении первого вектора, в данном случае вектора положения r, а затем сгибаем их по направлению ко второму вектору, удерживая большой палец правой руки в верхнем положении. И во время этого процесса указание большого пальца даст нам направление результирующего вектора.

Итак, чтобы применить правило правой руки, нам нужно знать, в каком направлении указывает r и в каком направлении указывает f. Конечно, из нашей диаграммы мы знаем, в каком направлении указывает f.И r из этого определения указывает от оси вращения до точки приложения силы.

Обозначим эту силу как f sub плюс, а эту — через f минус, связанные с положительным и отрицательным зарядами соответственно. И вектор положения этой силы, следовательно, будет направлен от оси вращения к точке приложения силы. А для f минус он будет указывать от оси вращения к точке приложения, следовательно, в этом направлении.

Теперь, применяя правило правой руки, мы сначала будем держать пальцы правой руки в направлении этого вектора, который в основном указывает в этом направлении, а затем сгибаем их по направлению ко второму вектору, то есть f плюс, указывающему вправо. Итак, если вы сначала держите пальцы правой руки в этом направлении, а затем отрегулируете их так, чтобы вы могли изгибаться по направлению ко второму вектору f плюс, и при этом вы увидите, что, удерживая большой палец правой руки вверх, этот большой палец будет указывать на самолет.

Следовательно, крутящий момент, создаваемый f plus относительно этой оси вращения, будет меньше, чем крутящий момент Tau plus, направленный в плоскость.И обозначим это направление крестиком вот так. Вы можете визуализировать это так, как если бы стрела попадала в самолет, и мы видим ее хвост здесь, на поверхности самолета.

Точно так же, если мы посмотрим на другую силу, теперь ее вектор положения указывает в эту сторону. И если вы держите пальцы правой руки в этом направлении и отрегулируете их так, чтобы вы могли изгибаться по направлению ко второму вектору, то есть f минус, указывая в эту сторону, поэтому, если вы попытаетесь согнуть их таким образом, вы увидите, что большой палец правой руки опять же для этого случая также указывая в плоскость экрана.

Значит, минус Тау тоже будет указывать на самолет. Это указывает на то, что эти два момента, создаваемые этими двумя силами, вызовут вращение в одном направлении, потому что они оба в одном направлении. Таким образом, чистый крутящий момент будет векторной суммой этих двух, поскольку они находятся в одном направлении, мы просто сложим их величины.

Итак, общий крутящий момент равен крутящему моменту из-за положительного заряда, я имею в виду из-за силы, действующей на положительный заряд, плюс крутящий момент из-за силы, действующей на отрицательный заряд.Тау плюс плюс Тау минус. И поскольку величина сил равна, а также величина векторов положения r плюс и r минус равны, что указывает на то, что величина этих двух моментов, Tau плюс и Tau минус.

Следовательно, отсюда мы можем сказать, что Тау плюс, величина, равна Тау минус, величина. Таким образом, величина крутящего момента будет равна удвоенной величине Тау плюс или Тау минус, поскольку они имеют равные величины.

Хорошо, если мы посмотрим на нашу диаграмму, мы увидим, что диполь составляет определенный угол с вектором электрического поля, и давайте обозначим этот угол как Theta.Этот угол — Тета, тогда этот угол также будет Тетой, и, как и этот угол, также будет Тета.

Что ж, как вы помните из свойств векторного произведения, величина Тау равна величине, умноженной на r, умноженной на f, умноженную на синус угла между этими двумя векторами. Итак, если мы посмотрим на Тау плюс, который равен r плюс пересекается с f плюс, тогда мы говорим о величине r плюс умножении на величину f плюс умноженное на синус угла между ними, и это еще одно важное свойство. что мы должны помнить.

Когда мы говорим об угле между двумя векторами, мы говорим об угле, который они образуют, когда их хвост совпадает друг с другом. Другими словами, угол между r плюс вектор и f плюс вектор не является этим углом. Мы просто переносим вектор r плюс так, чтобы хвосты этих двух векторов совпадали, а затем измеряем угол между ними. Это угол, который определяется как угол между этими двумя векторами. И на нашей диаграмме этот угол — не что иное, как угол Тета.

Итак, Тау плюс величина будет равна r плюс величина, умноженная на f, плюс величина, умноженная на синус угла между этими двумя векторами. Итак, f плюс величина, r плюс величина после величины вектора положения и есть это расстояние. И это расстояние составляет половину расстояния разделения диполей.

Итак, здесь r плюс будет равно d больше 2. А f plus равно положительному заряду, умноженному на величину вектора электрического поля. Следовательно, Тау плюс становится равным d в 2 раза больше, чем e умноженное на q.Итак, d умножить на q умножить на e умножить на синус угла между этими двумя векторами.

Затем, общий крутящий момент, поскольку он в два раза больше крутящего момента, создаваемого либо f плюс, либо силой на положительный заряд, либо силой на отрицательный заряд, умножив эту величину на 2, мы получим d раз q умножить на синус тета.

Здесь, когда мы смотрим на это выражение, которое представляет собой полный крутящий момент или чистый крутящий момент на этом диполе, вызывающий вращение диполя, мы видим произведение расстояния разделения и величины заряда на диполе.Эти две величины являются уникальными свойствами определенного диполя. Другими словами, каждый диполь будет иметь свой уникальный заряд и свое уникальное разделительное расстояние.

Таким образом, этот продукт также будет уникальной величиной для данного диполя. И у нас есть специальное название для этого продукта — электрический дипольный момент. Собственно, это векторная величина. Обозначим это p и его величина равна qd. Направление диполя, вектора момента, таково, что в данном электрическом диполе он указывает от отрицательного заряда к положительному.

Следовательно, относительно этого определения направления, вектор электрического дипольного момента p будет направлен от отрицательного заряда к положительному. Что-то вроде этого. И, глядя на эту диаграмму, мы видим, что она тоже составляет угол теты с вектором электрического поля. И это указывает от отрицательного заряда к положительному.

Теперь вернемся к уравнению крутящего момента, поскольку крутящий момент теперь равен величине вектора дипольного момента, умноженной на вектор электрического поля, умноженному на синус угла между ними.И это не что иное, как уравнение величины перекрестного произведения.

Так как Theta — это угол между вектором электрического дипольного момента и вектором электрического поля, то крутящий момент может быть выражен, результирующий крутящий момент может быть выражен как вектор дипольного момента, пересекаемый с вектором внешнего электрического поля. И это крутящий момент электрического диполя.

Мы рассмотрим некоторые конкретные молекулы. Мы видим, что некоторые из них обладают дипольными характеристиками. Другими словами, когда атомы собираются вместе, чтобы образовать этот конкретный диполь, они представляют собой положительно заряженный ион и отрицательно заряженный ион, разделенные очень небольшим расстоянием друг от друга.

Итак, все они будут иметь связанный вектор дипольного момента. И если вы возьмете эти молекулы и поместите их во внешнее электрическое поле, тогда эти дипольные молекулы будут вращаться под действием этого крутящего момента, и они выровняются вдоль линий электрического поля. И вы увидите или изучите эти типы молекул, если позже пройдете курс химии.

электричества | Определение, факты и типы

Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, возникающих при отсутствии движущихся зарядов, т.е.е., после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают положения равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов. И наоборот, имея набор проводников с известными потенциалами, можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников.Электрическую энергию набора зарядов в состоянии покоя можно рассматривать с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; в качестве альтернативы, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, хранится в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, тренных друг о друга в сухой среде.

Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео к этой статье

Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы передаются от одного тела к другому. Например, если два предмета трутся друг о друга, особенно если они являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, предметы приобретают равные и противоположные заряды, и между ними возникает сила притяжения. Объект, теряющий электроны, становится заряженным положительно, а другой — отрицательно.Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы описаны выше; они включены в математическое соотношение, известное как закон Кулона. Электрическая сила, действующая на заряд Q ₁ в этих условиях, вызванная зарядом Q ₂ на расстоянии r , задается законом Кулона

Жирным шрифтом в уравнении обозначается вектор характер силы, а единичный вектор r̂ — это вектор, размер которого равен единице, и который указывает от заряда Q ₂ к заряду Q ₁.Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ², где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ ньютонов на квадратный метр на квадратный кулон (Нм ² / C ²). На рисунке 1 показано усилие, действующее на Q ₁ из-за Q ₂. Числовой пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁ и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый с величиной 10 ⁻⁶ кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты указаны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.

электрическая сила между двумя зарядами

Рисунок 1: Электрическая сила между двумя зарядами.

Предоставлено факультетом физики и астрономии Мичиганского государственного университета Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Величина силы F на заряде Q ₁, рассчитанная с использованием уравнения (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила, действующая на Q ₂ из-за Q ₁, составляет — F , что также имеет величину 3,6 ньютона; его направление, однако, противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее составляющие по осям x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии рисунка 1, и результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в состоянии покоя. Если заряды имеют противоположные знаки, сила будет притягивающей; притяжение будет обозначено в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r̂ , и будет указывать от Q ₁ к Q ₂.В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков компонентов силы x и y силы в уравнении (2).

компоненты кулоновской силы

Рисунок 2: Компоненты x и y силы F на рисунке 4 (см. Текст).

Предоставлено Департаментом физики и астрономии Университета штата Мичиган

Как можно понять эту электрическую силу, действующую на Q ₁? По сути, сила возникает из-за наличия электрического поля в позиции Q ₁.Поле создается вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную размеру Q ₂. При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

Технология импульсного электрического поля открывает новые возможности для пищевой промышленности

Картофель фри, полученный из картофеля, обработанного с помощью этой новой машины для обработки импульсным электрическим полем (PEF), более полезен для здоровья людей.Предоставлено: Университет Отаго.

Исследователи из Университета Отаго демонстрируют потенциал новой технологии, благодаря которой производство популярного продукта питания в Новой Зеландии — картофеля фри — станет более здоровым, менее дорогостоящим и расточительным.

Недавно прибывшее оборудование для обработки импульсным электрическим полем (PEF) будет испытано для крупномасштабного производства картофеля фри в течение следующих трех месяцев.

Эта технология, использующая короткие импульсы электричества (микросекунды) для модификации и разрушения мембран клеток растительного или животного материала или микроорганизмов, находит широкое применение во многих отраслях пищевой промышленности.

Импульсное электрическое поле, протекающее через неразрезанный картофель во время обработки, изменяет его микроструктуру, что приводит к более контролируемому высвобождению сахара, более однородной окраске и снижению поглощения масла. Это также улучшает обработку, так как более мягкая текстура облегчает резку картофеля, что означает меньше отходов, способность приобретать новые формы (например,г. решетчатый рез) и повышенной прочности ножа (до 60%).

Поскольку обработка импульсным электрическим полем воздействует на клеточную мембрану, ее можно использовать для усиления экстракции пигментов или биоактивных соединений из пищевых продуктов, увеличения их выхода и качества или для уничтожения микроорганизмов в качестве альтернативы пастеризации жидкостей в больших объемах, таких как фруктовые соки. и молоко.

Предоставлено: Университет Отаго,

. Пилотная отраслевая программа является частью финансируемой Министерством бизнеса и инноваций программы поддержки технологий пищевой промышленности (FIET) стоимостью почти 16 новозеландских долларов.8M за шестилетний период (2015-2021). В программе участвуют шесть учреждений: Университет Мэсси (принимающая сторона), Университет Отаго, Университет Окленда, Отдел исследований растений и пищевых продуктов, AgResearch и Институт Риддета. Университет Отаго возглавляет исследования и промышленное внедрение технологии PEF.

«Теперь, когда оборудование находится в Новой Зеландии, мы рады начать промышленные испытания с надеждой на то, что сможем испытать методы и со временем дать возможность пищевой промышленности Новой Зеландии извлечь выгоду из этой новой технологии», — говорит профессор Университета Отаго Индравати Оэй, руководитель отдела пищевых наук Отаго и руководителем проекта PEF.

«PEF также может повысить качество и ценность многих других сельскохозяйственных и садовых продуктов Новой Зеландии», — добавляет профессор Оэй.

Исследователи, разрабатывающие дезинфицирующие средства нового поколения для борьбы с маститом крупного рогатого скота в молочной промышленности.

Предоставлено Университет Отаго

Ссылка : Технология импульсного электрического поля открывает новые возможности для пищевой промышленности (2018, 28 июня) получено 14 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2018-06-Pulsed-Electric-Field-Technology-Potential.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

систем импульсного электрического поля (PEF) в мире

Перейти к основному содержанию Домой
Новости
Справочники
Продукты
События
По регионам

0 Выберите ваш язык eneszh-hansrunl
Главное меню
Главная
Новости
Справочники
Продукты
События Английский
По регионам
По регионам Упрощенный русский голландский

Принцип суперпозиции теперь используется для нахождения решения Уравнение Пуассона для любого заданного распределения заряда ( r ) .Аргументы, представленные в предыдущем разделе для сингулярного заряда дистрибутивов предлагает подход.
Рисунок 4.5.1 r ^‘ дает рост потенциала в позиции наблюдателя р .
Для представления произвольной плотности заряда распределения как суммы «элементарных» зарядовых распределений, мы разделить пространство, занимаемое плотностью заряда, на элементарные тома размером dx’dy’dz ‘. Каждый из этих элементов обозначается символом Декартовы координаты (x ‘, y’, z ‘) , как показано на рис.4.5.1. Заряд содержится в одном из этих элементарных томов, в том, что координаты (x ‘, y’, z ‘) , есть
Теперь выразим полный потенциал, обусловленный плотностью заряда , как суперпозиция потенциалов d за счет дифференциала элементы заряда, (1), расположенные в точках r ^‘ . Обратите внимание, что каждое из этих элементарных распределений заряда имеет нулевую плотность заряда во всех точках за пределами элемента объема дв ‘, расположенного по адресу r ^‘ .Таким образом, они представляют собой точечные заряды величиной dq дается формулой (1). При условии, что | п. — п. ^‘ | принимается за расстояние между точкой наблюдения r и положением один инкрементный заряд r ^‘ , потенциал, связанный с этим дополнительный заряд определяется по (4.4.1).
где в декартовых координатах
Обратите внимание, что (2) является функцией двух наборов декартовых координаты: координаты (наблюдателя) (x, y, z) точки r при оценивается потенциал и координаты (источника) (x ‘, y’, z ‘) точки r ^‘ , в которой добавочный заряд позиционируется.
Согласно принципу суперпозиции получаем полную потенциал, создаваемый суммой дифференциальных зарядов путем добавления по всем дифференциальным потенциалам, сохраняя точку наблюдения (x, y, z) исправлено. Сумма по элементам дифференциального объема становится объемный интеграл по координатам (x ^‘, y ^‘, z ^‘) .
Это интеграл суперпозиции для электроквазистатического потенциал.
Для оценки потенциала требуется тройная интеграция. С помощью компьютера или даже программируемый калькулятор, это несложный процесс. Есть несколько примеров, когда три последовательных интеграции выполняется аналитически без особых затруднений.
Есть специальные представления (3), подходит в случаях, когда распределение заряда ограничивается поверхности, линии или двумерное распределение.За в результате количество интеграций сокращается до двух или даже до одной, и трудности получения аналитических выражений в значительной степени уменьшено.
Трехмерные распределения заряда можно представить как наложение строк и листов заряда и, используя найденные аналитически для этих распределений потенциалы численные интеграция, которая может потребоваться для определения потенциала трехмерное распределение заряда может быть сокращено до двух или даже одно численное интегрирование.
Интеграл суперпозиции для плотности поверхностного заряда
Если плотность заряда ограничена областями, которые можно описать по поверхностям очень малой толщины , то одна из трех интегрирования (3) можно в общем случае проводить. Ситуация такая как показано на рис. 4.5.2, где расстояние до места наблюдения точка велика по сравнению с толщиной, на которую заряд распределены. Поскольку интегрирование (3) проводится по этому толщина , расстояние между источником и наблюдателем, | r — r ^‘ | , меняется мало.Таким образом, с используется для обозначения координата, локально перпендикулярная поверхности, общая интеграл суперпозиции (3) сводится к
Рисунок 4.5.2 Элемент поверхностного заряда на положение r ^‘ дает начало потенциалу у наблюдателя точка r .
Интеграл на по определению является поверхностной плотностью заряда. Таким образом, (4) становится формой интеграла суперпозиции, применимого там, где распределение заряда можно смоделировать как на поверхности.
Следующий пример иллюстрирует применение этого интеграл.
Пример 4.5.1. Потенциал равномерно заряженного диска
Диск, показанный на рис. 4.5.3, имеет радиус R и имеет равномерный Плотность заряда поверхности _o . Следующие шаги приводят к потенциальному и поле на оси диска.
Рисунок 4.5.3 Равномерно заряженный диск с координаты для нахождения потенциала по оси z .
Расстояние | п. — п. ^‘ | между точкой r ^‘ на радиусе и угол (в цилиндрических координатах) и точка r на ось диска (ось z ) задается формулой
Отсюда следует, что (5) выражается через следующий дубль интеграл
где мы учли оба положительных z , случай, проиллюстрированный на цифра, а отрицательная z .Обратите внимание, что это точки на противоположных сторонах диска.
Напряженность осевого поля E _z можно найти, взяв градиент (7) в направлении z .
Верхний знак относится к положительному значению z , нижний знак — к отрицательному значению z .
Потенциальное распределение (8) можно проверить двумя способами. предельные случаи, ответы на которые легко получить путем изучения: потенциал на расстоянии | z | R , а поле | z | \ ll R .
наблюдение из диска, радиус диска R мал по сравнению с | z | , а потенциал диска должен приближаться к потенциалу точечного заряда Величина равна общему заряду диска, _o R ² . Потенциал (7) можно разложить по степеням R / z
чтобы найти, что действительно приближается к потенциальной функции
точечного заряда на расстоянии | z | с точки наблюдения.
Интеграл суперпозиции для плотности линейного заряда
Другой частный случай общего интеграла суперпозиции (3), относится к полям из распределения заряда, ограниченные окрестностями линий. На практике интересующие нас размеры велики по сравнению с поперечные размеры области A ‘ распределения заряда. В этом случае ситуация такая, как на рис. 4.5.4, а в интегрирование по сечению расстояние от источника до наблюдатель по существу постоянен.Таким образом, интеграл суперпозиции, (3) становится Рисунок 4.5.4 Элемент линейного заряда на положение r ^‘ вызывает потенциал у наблюдателя расположение r .
С учетом определения линейной плотности заряда (1.3.10) это выражение становится
Пример 4.5.2. Поле коллинеарных линейных зарядов противоположного Полярность
Плотность положительного линейного заряда величиной _o равномерно распределены по оси z между точками z = d и z = 3d .Отрицательный заряд такой же величины распределяется между г = -d и z = -3d . Осевая симметрия предполагает использование цилиндрические координаты, определенные на рис. 4.5.5.
Рисунок 4.5.5 Коллинеарный положительный и отрицательные линейные элементы заряда симметрично расположены на z ось.
Расстояние от элемента заряда _o dz ^‘ до произвольная точка наблюдения (r, z)
Таким образом, форма линейного заряда интеграла суперпозиции (12), становится
Эти интеграции выполняются для получения желаемого потенциала распространение
Здесь длины были нормализованы до d , так что z = z / d и r = r / d .Кроме того, потенциал был нормализован так, что
Рисунок 4.5.6 Поперечное сечение эквипотенциальных поверхностей и линии напряженности электрического поля для конфигурации рис. 4.5.5
Программируемый калькулятор можно использовать для оценки (15) при заданных значениях из ( r , z ) . Эквипотенциалы на рис. 4.5.6 на самом деле были получен в таким образом, позволяя рисовать линии напряженности поля показано. Помните, что конфигурация осесимметрична, поэтому эквипотенциалы — это поверхности, образованные вращением поперечного сечения показано около оси z .
Двумерное распределение заряда и поля
В двумерных конфигурациях, где заряд распространение равномерно простирается от z = — до z = + , один из выполнено три интегрирования общего интеграла суперпозиции. вне, представляя заряд суперпозицией линейных зарядов, каждая простирается от z = — до z = + . В основной элемент заряда, показанный на рис. 4.5.7, не является точкой заряд (1), а скорее заряд бесконечно длинной линии.В связанный потенциал не точечный заряд, а скорее линейный заряд.
Рисунок 4.5.7 Для двумерного заряда распределений элементарный заряд принимает форму линейного заряда бесконечной длины. Векторы положения наблюдателя и источника, r и r ^‘, являются двумерными векторами.
При распределении линейного заряда вдоль оси z электрическая поле задается формулой (1.3.13) как
и интегрирование этого выражения дает потенциал
где r _o — опорный радиус, введенный как постоянная интеграция.Таким образом, da обозначает элемент площади на плоскости от которого зависят источник и поле и r и r ^‘ векторные положения наблюдателя и источника соответственно в этом плоскости, потенциал для инкрементного линейного заряда на рис. 4.5.7 равен написано путем идентификации
Интегрирование по заданному двумерному распределению источников, тогда дает как двумерный интеграл суперпозиции
Имея дело с распределениями заряда, которые простираются до бесконечности в направлении z , потенциал на бесконечности нельзя принимать за Справка.Потенциал в произвольной конечной позиции может быть определяется как ноль путем добавления константы интегрирования к (20).
Следующий пример приводит к результату, который будет полезен при решении краевых задач в гл. 4.8.
Пример 4.5.3. Двумерный потенциал равномерно Заряженный лист
Равномерно заряженная полоса, лежащая в плоскости y = 0 между x = x ₂ и x = x ₁ простирается от z = + до z = — , как показано на Инжир.4.5.8. Потому как толщина листа в направлении y очень мала по сравнению для других интересующих измерений подынтегральное выражение (20) равно практически постоянна, так как интегрирование выполняется в y направление. Таким образом, интегрирование y составляет умножение на толщина листа
Рисунок 4.5.8 Полоса равномерно заряженного материал тянется до бесконечности в направлениях z , приводя к двумерному распределению потенциала.
а (20) записывается через плотность поверхностного заряда _s как
Если расстояние между источником и наблюдателем записано в терминах декартовых координат рис. 4.5.8, и признается, что плотность поверхностного заряда однородна, так что _с = _o константа, (22) принимает вид
Введение переменной интегрирования u = x — x ^‘ преобразует этот интеграл выражения, которое легко интегрируется.
Двумерные распределения поверхностного заряда могут быть кусочно аппроксимируются равномерно заряженными плоскими сегментами. В ассоциированные потенциалы тогда представлены суперпозициями потенциал (24).
Потенциал однородного дипольного слоя
Потенциал, создаваемый диполем зарядов q , разнесен на вектор расстояние d друг от друга определяется по формуле (4.4.11)
где
Дипольный слой , показанный на рис.4.5.9, состоит из пары распределение поверхностных зарядов _с на расстоянии d отдельно. Элемент площади d a такого слоя с направлением d a (направление от отрицательной плотности заряда к положительной один), можно рассматривать как дифференциальный диполь, создающий (дифференциальный) потенциал d
Обозначим поверхностную дипольную плотность _s где
и потенциал, создаваемый распределением поверхностных диполей по поверхность S определяется выражением
Особенно просто этот потенциал можно интерпретировать, если диполь плотность постоянна.Тогда _s можно вытащить из-под интеграл, и здесь равно _s / (4 _o) раз интеграл
Этот интеграл безразмерен и имеет простой геометрический интерпретация. Как показано на рис. 4.5.9, i _{r ^‘ r} d a — элемент площади, проецируемый в направлении, соединяющем источник указывает на точку наблюдения.Деление на | r — r ^‘ | ² уменьшает этот элемент площади проекции на единичную сферу. Таким образом, подынтегральное выражение — это дифференциальный телесный угол, образуемый d a , если смотреть наблюдателем под углом r . Интеграл (29) равен к телесному углу, образуемому поверхностью S , если смотреть со стороны пункт наблюдения r . В терминах этого телесного угла
Рисунок 4.5.9 Дифференциальный телесный угол покрыт дипольным слоем площадью да .
Затем рассмотрим разрыв потенциала при прохождении через поверхность S , содержащая дипольный слой. Предположим, что поверхность S подводится со стороны + ; то из рис. 4.5.10 поверхность рассматривается под телесным углом \ Омега _o . Приближался от с другой стороны поверхность образует телесный угол — (4 — \ Омега _или) .Таким образом, существует разрыв потенциала через поверхность
Поскольку дипольный слой содержит бесконечную поверхностную плотность заряда _s , поле внутри слоя бесконечно. «Окантовка» поле, т.е. внешнее поле дипольного слоя, конечно и следовательно, пренебрежимо мало при оценке внутреннего поля дипольный слой. Таким образом, внутреннее поле следует непосредственно из Гаусса. закон в предположении, что поле существует только между двумя слои с противоположной плотностью заряда (см. Проб.4.5.12). Потому как вклады в (28) преобладают _с в непосредственной окрестности точки r при приближении к поверхности разрыв потенциала задается формулой (31), даже если _s функция положения.