Rumus dasar dalam fisika elektrostatis. AKU AKU AKU

YouTube ensiklopedis

1 / 5
Fondasi elektrostatika diletakkan oleh karya Coulomb (walaupun sepuluh tahun sebelumnya, hasil yang sama, bahkan dengan akurasi yang lebih besar, diperoleh oleh Cavendish. Hasil karya Cavendish disimpan di arsip keluarga dan baru diterbitkan seratus tahun kemudian); hukum yang terakhir ditemukan interaksi listrik memungkinkan Green, Gauss dan Poisson menciptakan teori yang elegan secara matematis. Bagian terpenting dari elektrostatika adalah teori potensial, yang diciptakan oleh Green dan Gauss. Banyak penelitian eksperimental tentang elektrostatika dilakukan oleh Rees, yang buku-bukunya di masa lalu menjadi panduan utama untuk mempelajari fenomena ini.

Konstanta dielektrik

Menemukan nilai koefisien dielektrik K suatu zat, suatu koefisien yang termasuk dalam hampir semua rumus yang harus dihadapi dalam elektrostatika, dapat dilakukan dengan cukup mudah. cara yang berbeda. Metode yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut.
1) Perbandingan kapasitas listrik dua kapasitor yang mempunyai ukuran yang sama dan bentuknya, tetapi di salah satunya lapisan isolasi adalah lapisan udara, di sisi lain - lapisan dielektrik yang diuji.
2) Perbandingan gaya tarik-menarik antara permukaan-permukaan kapasitor, ketika permukaan-permukaan tersebut diberi beda potensial tertentu, tetapi dalam satu hal terdapat udara di antara keduanya (gaya tarik-menarik = F 0), dalam kasus lain - isolator cairan uji (menarik gaya = F). Koefisien dielektrik dicari dengan rumus:
K = F 0 F .
(\gaya tampilan K=(\frac (F_(0))(F)).)
3) Pengamatan gelombang listrik (lihat Osilasi listrik) yang merambat sepanjang kabel. Menurut teori Maxwell, kecepatan rambat gelombang listrik sepanjang kabel dinyatakan dengan rumus
V = 1 K μ.
(\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)
Biasanya panjang gelombang listrik berdiri yang timbul pada bagian kawat yang sama yang ada di udara dan pada uji dielektrik (cair) dibandingkan. Setelah menentukan panjang λ 0 dan λ, kita memperoleh K = λ 0 2 / λ 2. Menurut teori Maxwell, ketika tereksitasi Medan listrik pada bahan isolasi apa pun, deformasi khusus terjadi di dalam bahan tersebut. Sepanjang tabung induksi, media isolasi terpolarisasi. Itu muncul perpindahan listrik, yang dapat diibaratkan pergerakan listrik positif searah sumbu tabung-tabung tersebut, dan melalui masing-masing persilangan jumlah listrik yang melewati tabung sama dengan
D = 1 4 π K F .
(\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.) Teori Maxwell memungkinkan untuk menemukan ekspresi dari hal tersebut kekuatan internal (gaya tegangan dan tekanan), yang muncul pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya. Pertanyaan ini pertama kali dipertimbangkan oleh Maxwell sendiri, dan kemudian secara lebih rinci oleh Helmholtz. Pengembangan lebih lanjut

Teori tentang masalah ini dan teori elektrostriksi yang berkaitan erat (yaitu, teori yang mempertimbangkan fenomena yang bergantung pada terjadinya tegangan khusus pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya) adalah milik karya Lorberg, Kirchhoff, P. .Duhem, N.N. Schiller dan beberapa lainnya.

Kondisi perbatasan Mari selesaikan ringkasan
Bagian terpenting dari departemen elektrostriksi adalah pertimbangan pertanyaan tentang pembiasan tabung induksi. Mari kita bayangkan dua dielektrik dalam medan listrik, dipisahkan satu sama lain oleh suatu permukaan S, dengan koefisien dielektrik K 1 dan K 2.
Misalkan pada titik P 1 dan P 2 yang terletak sangat dekat dengan permukaan S di kedua sisinya, besaran potensial dinyatakan dalam V 1 dan V 2 , dan besaran gaya yang dialami oleh satuan listrik positif ditempatkan pada titik-titik ini melalui F 1 dan F 2. Maka untuk titik P yang terletak pada permukaan S itu sendiri, pasti terdapat V 1 = V 2,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))
jika ds menyatakan perpindahan yang sangat kecil sepanjang garis perpotongan bidang singgung permukaan S di titik P dengan bidang yang melalui garis normal ke permukaan pada titik ini dan melalui arah gaya listrik di dalamnya. Di sisi lain, seharusnya demikian
Mari kita nyatakan dengan ε 2 sudut yang dibuat oleh gaya F2 dengan normal n2 (di dalam dielektrik kedua), dan dengan ε 1 sudut yang dibuat oleh gaya F 1 dengan normal n 2 yang sama. Kemudian, dengan menggunakan rumus (31) dan (30), kami menemukan
tg ε 1 tg ε 2 = K 1 K 2 .
(\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).) Jadi, pada permukaan yang memisahkan dua dielektrik satu sama lain, kekuatan listrik mengalami perubahan arahnya seperti sinar cahaya
masuk dari satu lingkungan ke lingkungan lain. Konsekuensi teori ini dibenarkan oleh pengalaman.
Hukum Dasar Dinamika. Hukum Newton - pertama, kedua, ketiga. Prinsip relativitas Galileo. Hukum gravitasi universal. Gravitasi. Kekuatan elastis. Berat. Gaya gesekan - diam, meluncur, menggelinding + gesekan pada zat cair dan gas.
Kinematika. Konsep dasar. Gerak lurus beraturan. Gerak dipercepat beraturan. Gerakan seragam dalam lingkaran. Sistem referensi. Lintasan, perpindahan, lintasan, persamaan gerak, kecepatan, percepatan, hubungan kecepatan linier dan sudut.
Mekanisme sederhana. Tuas (tuas jenis pertama dan tuas jenis kedua). Blok (blok tetap dan blok bergerak). Bidang miring. Tekan Hidrolik. Aturan emas mekanika
Hukum kekekalan dalam mekanika. Usaha mekanik, daya, energi, hukum kekekalan momentum, hukum kekekalan energi, kesetimbangan zat padat
Gerakan melingkar. Persamaan gerak dalam lingkaran. Kecepatan sudut. Normal = percepatan sentripetal. Periode, frekuensi peredaran (rotasi). Hubungan antara kecepatan linier dan sudut
Getaran mekanis. Getaran bebas dan paksa. Getaran harmonik. Getaran elastis. Pendulum matematika. Transformasi energi selama osilasi harmonik
Gelombang mekanis. Kecepatan dan panjang gelombang. Persamaan gelombang berjalan. Fenomena gelombang (difraksi, interferensi...)
Mekanika fluida dan aeromekanik. Tekanan, tekanan hidrostatik. hukum Pascal. Persamaan dasar hidrostatika. Kapal komunikasi. hukum Archimedes. Kondisi berlayar tel. Aliran fluida. hukum Bernoulli. rumus toricelli
Optik gelombang. Teori cahaya gelombang partikel. Sifat gelombang cahaya. Dispersi cahaya. Interferensi cahaya. Prinsip Huygens-Fresnel. Difraksi cahaya. Polarisasi cahaya
Termodinamika. Energi dalam. Pekerjaan. Jumlah panas. Fenomena termal. Hukum pertama termodinamika. Penerapan hukum pertama termodinamika pada berbagai proses. Persamaan keseimbangan termal. Hukum kedua termodinamika. Mesin panas
Kamu disini sekarang: Elektrostatika. Konsep dasar. Muatan listrik. Hukum kekekalan muatan listrik. hukum Coulomb. Prinsip superposisi. Teori aksi jarak pendek. Potensi medan listrik. Kapasitor.
Arus listrik konstan. Hukum Ohm untuk suatu bagian rangkaian. Operasi dan daya DC. hukum Joule-Lenz. Hukum Ohm untuk rangkaian lengkap. Hukum elektrolisis Faraday. Sirkuit listrik - koneksi serial dan paralel. aturan Kirchhoff.
Getaran elektromagnetik. Osilasi elektromagnetik bebas dan paksa. Rangkaian osilasi. Arus listrik bolak-balik. Kapasitor pada rangkaian arus bolak-balik. Sebuah induktor (“solenoid”) dalam rangkaian arus bolak-balik.
Elemen teori relativitas. Postulat teori relativitas. Relativitas simultanitas, jarak, interval waktu. Hukum relativistik penambahan kecepatan. Ketergantungan massa pada kecepatan. Hukum dasar dinamika relativistik...
Kesalahan pengukuran langsung dan tidak langsung. Kesalahan absolut dan relatif. Kesalahan sistematis dan acak. Standar deviasi (kesalahan). Tabel untuk menentukan kesalahan pengukuran tidak langsung berbagai fungsi.

Juga di Yunani kuno Terlihat bahwa amber yang digosok dengan bulu mulai menarik partikel kecil - debu dan remah-remah. Untuk waktu yang lama(sampai pertengahan abad ke-18) tidak dapat memberikan pembenaran yang serius fenomena ini. Baru pada tahun 1785 Coulomb, mengamati interaksi partikel bermuatan, menyimpulkan hukum dasar interaksinya. Sekitar setengah abad kemudian, Faraday mempelajari dan mensistematisasikan aksi arus listrik dan medan magnet, dan tiga puluh tahun kemudian Maxwell memperkuat teori tersebut. medan elektromagnetik.

Muatan listrik

Untuk pertama kalinya, istilah “listrik” dan “elektrifikasi”, merupakan turunan dari kata Latin"electri" - amber, diperkenalkan pada tahun 1600 oleh ilmuwan Inggris W. Gilbert untuk menjelaskan fenomena yang terjadi ketika amber digosok dengan bulu atau kaca dengan kulit. Jadi, badan yang memiliki sifat listrik mulai disebut bermuatan listrik, yaitu muatan listrik ditransfer ke mereka.

Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa muatan listrik adalah suatu sifat kuantitatif yang menunjukkan tingkat kemungkinan partisipasi suatu benda di dalamnya interaksi elektromagnetik. Muatan tersebut diberi nama q atau Q dan mempunyai kapasitas Coulomb (C)

Sebagai hasil dari berbagai percobaan, sifat-sifat dasar diturunkan muatan listrik:

Ada dua jenis muatan, yang secara konvensional disebut positif dan negatif;
muatan listrik dapat berpindah dari satu benda ke benda lain;
Muatan listrik yang sejenis akan tolak menolak, dan muatan listrik yang sejenis akan tarik menarik.

Selain itu, hukum kekekalan muatan ditetapkan: jumlah aljabar muatan listrik dalam sistem tertutup (terisolasi) tetap konstan

Pada tahun 1749, penemu Amerika Benjamin Franklin mengemukakan teori fenomena kelistrikan, yang menyatakan bahwa listrik adalah cairan bermuatan, yang kekurangannya ia definisikan sebagai listrik negatif, dan kelebihannya adalah listrik positif. Dari sinilah muncul paradoks teknik elektro yang terkenal: menurut teori B. Franklin, listrik mengalir dari kutub positif ke kutub negatif.

Berdasarkan teori modern struktur zat, semua zat terdiri dari molekul dan atom, yang selanjutnya terdiri dari inti atom dan elektron “e” yang berputar mengelilinginya. Inti atomnya tidak homogen dan terdiri dari proton “p” dan neutron “n”. Selain itu, elektron adalah partikel bermuatan negatif, dan proton bermuatan positif. Karena jarak antara elektron dan inti atom jauh melebihi ukuran partikel itu sendiri, elektron dapat dipisahkan dari atom, sehingga menyebabkan pergerakan muatan listrik antar benda.

Selain sifat-sifat yang dijelaskan di atas, muatan listrik mempunyai sifat membagi, tetapi terdapat nilai muatan minimum yang mungkin tidak dapat dibagi sama dengan nilai mutlak muatan elektron (1,6 * 10 -19 C), disebut juga muatan dasar. Saat ini, keberadaan partikel yang bermuatan listrik lebih kecil dari partikel elementer yang disebut quark telah terbukti, namun masa hidupnya tidak signifikan dan belum terdeteksi dalam keadaan bebas.

hukum Coulomb. Prinsip superposisi

Interaksi muatan listrik stasioner dipelajari oleh cabang fisika yang disebut elektrostatika, yang sebenarnya didasarkan pada hukum Coulomb, yang diturunkan berdasarkan berbagai eksperimen. hukum ini, serta satuan muatan listrik diberi nama fisikawan Perancis Charles Coulon.

Coulomb, melalui eksperimennya, menemukan bahwa gaya interaksi antara dua muatan listrik kecil mengikuti aturan berikut:

gayanya sebanding dengan besarnya masing-masing muatan;
gayanya berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya;
arah gaya diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkan muatan-muatan;
gayanya adalah tarik menarik jika benda-benda tersebut bermuatan berlawanan, dan tolak-menolak jika muatannya sejenis.

Jadi, hukum Coulomb dinyatakan dengan rumus berikut

dimana q1, q2 – besarnya muatan listrik,

r adalah jarak antara dua muatan,

k adalah koefisien proporsionalitas yang sama dengan k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), dimana ε 0 adalah konstanta listrik, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

Izinkan saya mencatat bahwa sebelumnya konstanta listrik ε0 disebut konstanta dielektrik atau konstanta dielektrik kekosongan.

Hukum Coulomb memanifestasikan dirinya, tidak hanya ketika dua muatan berinteraksi, tetapi juga ketika sistem beberapa muatan lebih umum. Dalam hal ini, hukum Coulomb dilengkapi dengan faktor penting lainnya, yang disebut “prinsip superposisi” atau prinsip superposisi.

Prinsip superposisi didasarkan pada dua aturan:

pengaruh beberapa gaya pada partikel bermuatan adalah jumlah vektor dari pengaruh gaya-gaya tersebut;
setiap gerakan yang kompleks terdiri dari beberapa gerakan sederhana.

Prinsip superposisi menurut saya paling mudah digambarkan secara grafis

Gambar tersebut menunjukkan tiga muatan: -q 1, +q 2, +q 3. Untuk menghitung gaya F total yang bekerja pada muatan -q 1, menurut hukum Coulomb, perlu dihitung gaya interaksi F1 dan F2 antara -q 1, +q 2 dan -q 1, +q 3. Kemudian tambahkan gaya-gaya yang dihasilkan sesuai dengan aturan penjumlahan vektor. DI DALAM pada kasus ini F umumnya dihitung sebagai diagonal jajaran genjang menggunakan ekspresi berikut

dimana α adalah sudut antara vektor F1 dan F2.

Medan listrik. Kekuatan medan listrik

Setiap interaksi antar muatan disebut juga Interaksi Coulomb(dinamai berdasarkan hukum Coulomb) terjadi dengan bantuan medan elektrostatis, yang merupakan medan listrik invarian waktu biaya stasioner. Medan listrik adalah bagian dari medan elektromagnetik dan diciptakan oleh muatan listrik atau benda bermuatan. Medan listrik mempengaruhi muatan dan benda bermuatan, terlepas dari apakah benda tersebut bergerak atau diam.

Satu dari konsep dasar Medan listrik adalah intensitasnya, yang didefinisikan sebagai perbandingan gaya yang bekerja pada suatu muatan dalam medan listrik dengan besar muatan tersebut. Untuk pengungkapan konsep ini perlu untuk memperkenalkan konsep seperti "muatan uji".

“Muatan uji” adalah muatan yang tidak ikut serta dalam penciptaan medan listrik, dan juga mempunyai nilai yang sangat kecil sehingga dengan kehadirannya tidak menyebabkan redistribusi muatan dalam ruang, sehingga tidak mendistorsi medan listrik. diciptakan oleh muatan listrik.

Jadi, jika “muatan uji” q 0 dimasukkan ke suatu titik yang terletak pada jarak tertentu dari muatan q, maka gaya tertentu F akan bekerja pada “muatan uji” q P, karena adanya muatan q. Perbandingan gaya F 0 yang bekerja pada muatan uji, sesuai dengan hukum Coulomb, dengan nilai “muatan uji” disebut kuat medan listrik. Kuat medan listrik disebut E dan mempunyai kapasitas N/C

Potensi medan elektrostatik. Perbedaan potensial

Seperti yang Anda ketahui, jika ada gaya yang bekerja pada suatu benda, maka benda tersebut melakukan sejumlah usaha. Oleh karena itu, muatan yang ditempatkan pada medan listrik juga akan melakukan usaha. Dalam medan listrik, usaha yang dilakukan suatu muatan tidak bergantung pada lintasan geraknya, tetapi hanya ditentukan oleh posisi yang ditempati partikel pada awal dan akhir gerak. Dalam fisika, medan yang mirip dengan medan listrik (yang usahanya tidak bergantung pada lintasan benda) disebut potensial.

Usaha yang dilakukan oleh suatu benda ditentukan oleh persamaan berikut

dimana F adalah gaya yang tidak bekerja pada benda,

S adalah jarak yang ditempuh benda di bawah aksi gaya F,

α adalah sudut antara arah gerak benda dan arah kerja gaya F.

Maka usaha yang dilakukan oleh “muatan uji” dalam medan listrik yang ditimbulkan oleh muatan q 0 akan ditentukan berdasarkan hukum Coulomb

dimana q P adalah “muatan uji”,

q 0 – muatan yang menimbulkan medan listrik,

r 1 dan r 2 – masing-masing, jarak antara q П dan q 0 pada posisi awal dan akhir “muatan uji”.

Karena usaha yang dilakukan berhubungan dengan perubahan energi potensial WP , maka

Dan energi potensial dari "muatan uji" pada setiap titik tertentu dari lintasan gerak akan ditentukan dari ekspresi berikut

Terlihat dari persamaan, dengan perubahan nilai “muatan uji” q p, nilai energi potensial WP P akan berubah sebanding dengan q p, oleh karena itu, untuk mengkarakterisasi medan listrik, parameter lain diperkenalkan disebut potensial medan listrik φ, yaitu karakteristik energi dan didefinisikan oleh ekspresi berikut

dimana k adalah koefisien proporsionalitas yang sama dengan k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), dimana ε 0 adalah konstanta listrik, ε 0 = 8.85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

Dengan demikian, potensial medan elektrostatis merupakan suatu karakteristik energi yang mencirikan energi potensial yang dimiliki oleh suatu muatan yang ditempatkan di dalamnya titik ini medan elektrostatis.

Dari penjelasan di atas kita dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan ketika memindahkan muatan dari satu titik ke titik lain dapat ditentukan dari persamaan berikut

Artinya, usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya medan elektrostatis ketika memindahkan muatan dari satu titik ke titik lain sama dengan hasil kali muatan dan beda potensial awal dan titik akhir lintasan.

Saat membuat perhitungan, akan lebih mudah untuk mengetahui perbedaan potensial antara titik-titik medan listrik, dan bukan nilai-nilai tertentu potensial pada titik-titik tertentu, oleh karena itu, berbicara tentang potensial suatu titik di lapangan, yang kami maksud adalah beda potensial antara suatu titik tertentu di lapangan dan titik lain di lapangan, yang potensialnya dianggap sama dengan nol.

Beda potensial ditentukan dari persamaan berikut dan mempunyai dimensi Volt (V)

Lanjutkan membaca pada artikel selanjutnya

Teorinya bagus, tapi tanpanya aplikasi praktis ini hanya kata-kata.

... Semua prediksi elektrostatika mengikuti dua hukumnya.
Namun mengungkapkan hal-hal ini secara matematis adalah satu hal, dan hal lain lagi
terapkan dengan mudah dan dengan jumlah kecerdasan yang tepat.
Richard Feynman

Elektrostatika mempelajari interaksi muatan stasioner. Eksperimen penting dalam elektrostatika dilakukan pada abad ke-17 dan ke-18. Selamat membuka fenomena elektromagnetik dan revolusi teknologi yang mereka hasilkan, minat terhadap elektrostatika hilang untuk beberapa waktu. Namun modern Penelitian ilmiah menunjukkan nilai yang besar elektrostatika untuk memahami banyak proses di alam hidup dan tak hidup.

Elektrostatika dan kehidupan

Pada tahun 1953, ilmuwan Amerika S. Miller dan G. Urey menunjukkan bahwa salah satu "bahan penyusun kehidupan" - asam amino - dapat diperoleh dengan melewatkan pelepasan listrik melalui gas yang komposisinya mirip dengan atmosfer primitif bumi, yang terdiri dari metana, amonia, hidrogen dan uap air. Selama 50 tahun berikutnya, peneliti lain mengulangi percobaan ini dan memperoleh hasil yang sama. Ketika pulsa arus pendek dilewatkan melalui bakteri, pori-pori muncul di cangkangnya (membran), yang melaluinya fragmen DNA bakteri lain dapat masuk, sehingga memicu salah satu mekanisme evolusi. Jadi, energi yang dibutuhkan untuk asal mula kehidupan di Bumi dan evolusinya memang bisa berupa energi elektrostatis dari pelepasan petir (Gbr. 1).

Bagaimana elektrostatika menyebabkan petir

Di setiap saat poin yang berbeda Ada sekitar 2000 sambaran petir di bumi, setiap detik sekitar 50 sambaran petir menyambar bumi, masing-masing kilometer persegi Permukaan bumi disambar petir rata-rata enam kali dalam setahun. Pada abad ke-18, Benjamin Franklin membuktikan bahwa petir yang menyambar dari awan petir adalah muatan listrik yang dibawanya negatif mengenakan biaya. Selain itu, setiap pelepasan memasok bumi dengan beberapa puluh coulomb listrik, dan amplitudo arus selama sambaran petir berkisar antara 20 hingga 100 kiloampere. Fotografi berkecepatan tinggi menunjukkan bahwa sambaran petir hanya berlangsung sepersepuluh detik dan setiap kilat terdiri dari beberapa sambaran petir yang lebih pendek.

Dengan menggunakan alat ukur yang dipasang pada wahana atmosfer, pada awal abad ke-20, medan listrik bumi diukur, yang intensitasnya di permukaan kira-kira 100 V/m, yang setara dengan muatan total planet sebesar sekitar 400.000C. Pembawa muatan di atmosfer bumi adalah ion-ion, yang konsentrasinya meningkat seiring ketinggian dan mencapai maksimum pada ketinggian 50 km, di mana berada di bawah pengaruh radiasi kosmik Lapisan konduktif listrik - ionosfer - terbentuk. Oleh karena itu, kita dapat mengatakan bahwa medan listrik bumi adalah medan kapasitor berbentuk bola dengan tegangan yang diberikan sekitar 400 kV. Di bawah pengaruh tegangan ini dari lapisan atas arus sebesar 2–4 kA mengalir ke arus yang lebih rendah sepanjang waktu, yang kepadatannya adalah (1–2) 10 –12 A/m 2, dan energi dilepaskan hingga 1,5 GW. Dan jika tidak ada petir, medan listrik ini akan hilang! Ternyata di cuaca baik Kapasitor listrik bumi habis, dan selama badai petir, kapasitor tersebut terisi dayanya.

Awan petir adalah jumlah yang banyak uap, sebagian telah mengembun dalam bentuk tetesan kecil atau potongan es. Bagian atas awan petir dapat berada pada ketinggian 6–7 km, dan bagian bawahnya dapat menggantung di atas permukaan tanah pada ketinggian 0,5–1 km. Di atas 3–4 km, awan terdiri dari es yang terapung ukuran yang berbeda, karena suhu di sana selalu di bawah nol. Potongan-potongan es ini ada di dalamnya gerakan konstan, disebabkan oleh arus udara hangat ke atas yang naik dari bawah dari permukaan bumi yang panas. Potongan-potongan es kecil lebih ringan daripada potongan-potongan besar, dan mereka terbawa oleh arus udara yang naik dan bertabrakan dengan potongan-potongan besar di sepanjang jalan. Dengan setiap tumbukan seperti itu, terjadi elektrifikasi, di mana bongkahan es besar bermuatan negatif, dan bongkahan es kecil bermuatan positif. Seiring waktu, bongkahan es kecil bermuatan positif berkumpul terutama di bagian atas awan, dan bongkahan es besar bermuatan negatif berkumpul di bagian bawah (Gbr. 2). Dengan kata lain, bagian atas awan bermuatan positif dan bagian bawah bermuatan negatif. Pada saat yang sama, di tanah tepat di bawah awan petir sedang diarahkan muatan positif. Sekarang semuanya siap untuk pelepasan petir, di mana terjadi kerusakan udara dan muatan negatif dari dasar awan petir mengalir ke Bumi.

Biasanya sebelum terjadinya badai petir, kekuatan medan listrik bumi dapat mencapai 100 kV/m, yaitu 1000 kali lebih tinggi daripada nilainya pada cuaca baik. Akibatnya, muatan positif setiap rambut di kepala seseorang yang berdiri di bawah jumlah yang sama meningkat. awan petir, dan mereka, saling mendorong, berdiri tegak (Gbr. 3).

Fulgurite - jejak petir di tanah

Selama pelepasan petir, energi sekitar 10 9 –10 10 J dilepaskan. Kebanyakan Energi ini dihabiskan untuk guntur, memanaskan udara, memancarkan cahaya, dan memancarkan cahaya lainnya gelombang elektromagnetik, dan hanya sebagian kecil yang dilepaskan di tempat petir masuk ke dalam tanah. Namun bagian “kecil” ini pun sudah cukup untuk menyebabkan kebakaran, membunuh seseorang, atau menghancurkan sebuah bangunan. Petir dapat memanaskan saluran yang dilaluinya hingga 30.000°C, yang jauh lebih tinggi daripada titik leleh pasir (1600–2000°C). Oleh karena itu, petir, menyambar pasir, melelehkannya, dan udara panas serta uap air, mengembang, membentuk tabung dari pasir cair, yang setelah beberapa waktu mengeras. Beginilah asal mula fulgurites (panah petir, jari iblis) - silinder berongga yang terbuat dari pasir leleh (Gbr. 4). Fulgurit yang paling lama digali berada di bawah tanah hingga kedalaman lebih dari lima meter.

Bagaimana elektrostatika melindungi dari petir

Untungnya, sebagian besar sambaran petir terjadi di antara awan sehingga tidak menimbulkan ancaman bagi kesehatan manusia. Namun, petir diyakini membunuh lebih dari seribu orang di seluruh dunia setiap tahunnya. Setidaknya di Amerika Serikat, tempat statistik tersebut disimpan, sekitar seribu orang menderita sambaran petir setiap tahun dan lebih dari seratus di antaranya meninggal. Para ilmuwan telah lama berupaya melindungi manusia dari “hukuman Tuhan” ini. Misalnya, penemu kapasitor listrik pertama (Leyden jar), Pieter van Muschenbrouck, dalam sebuah artikel tentang listrik yang ditulis untuk Ensiklopedia Prancis yang terkenal, membela metode tradisional untuk mencegah petir - membunyikan bel dan menembakkan meriam, yang menurutnya cukup efektif. .

Pada tahun 1750, Franklin menemukan penangkal petir. Dalam upaya untuk melindungi gedung DPR Maryland dari sambaran petir, dia memasang batang besi tebal ke gedung tersebut, memanjang beberapa meter di atas kubah dan terhubung ke tanah. Ilmuwan tersebut menolak untuk mematenkan penemuannya, ingin agar penemuannya dapat mulai melayani masyarakat sesegera mungkin. Mekanisme kerja penangkal petir mudah dijelaskan jika kita mengingat bahwa kuat medan listrik di dekat permukaan konduktor bermuatan meningkat seiring dengan meningkatnya kelengkungan permukaan tersebut. Oleh karena itu, pada saat terjadi awan petir di dekat ujung penangkal petir, kuat medannya akan sangat tinggi sehingga menyebabkan ionisasi pada udara sekitar dan lucutan korona di dalamnya. Akibatnya, kemungkinan terjadinya sambaran petir terhadap penangkal petir akan meningkat secara signifikan. Dengan demikian, pengetahuan tentang elektrostatika tidak hanya memungkinkan untuk menjelaskan asal mula petir, tetapi juga menemukan cara untuk melindunginya.

Berita tentang penangkal petir Franklin dengan cepat menyebar ke seluruh Eropa, dan dia terpilih menjadi anggota semua akademi, termasuk akademi Rusia. Namun, di beberapa negara, penduduk yang taat menyambut penemuan ini dengan marah. Gagasan bahwa seseorang dapat dengan mudah dan sederhana menjinakkan senjata utama murka Tuhan tampaknya merupakan penghujatan. Oleh karena itu, di berbagai tempat orang, karena alasan saleh, mematahkan penangkal petir.

Sebuah kejadian aneh terjadi pada tahun 1780 di sebuah kota kecil di Perancis utara, di mana penduduk kota menuntut agar tiang penangkal petir besi dibongkar dan masalah tersebut dibawa ke pengadilan. Pengacara muda, yang membela penangkal petir dari serangan kaum obskurantis, mendasarkan pembelaannya pada fakta bahwa pikiran manusia dan kemampuannya untuk menaklukkan kekuatan alam berasal dari ilahi. Segala sesuatu yang membantu menyelamatkan nyawa adalah demi kebaikan, bantah pengacara muda itu. Dia memenangkan kasus ini dan mendapatkan ketenaran yang luar biasa. Nama pengacaranya adalah... Maximilian Robespierre.

Nah, kini potret penemu penangkal petir tersebut menjadi reproduksi yang paling diminati di dunia, karena menghiasi uang kertas seratus dolar yang terkenal itu.

Elektrostatika yang menghidupkan kembali

Energi dari pelepasan kapasitor tidak hanya menyebabkan munculnya kehidupan di Bumi, tetapi juga dapat memulihkan kehidupan bagi orang-orang yang sel-sel jantungnya berhenti berdetak secara serempak. Kontraksi sel jantung yang tidak sinkron (kacau) disebut fibrilasi. Fibrilasi jantung dapat dihentikan dengan melewatkan arus pendek melalui seluruh selnya. Untuk melakukan ini, dua elektroda dipasang ke dada pasien, yang melaluinya pulsa dilewatkan dengan durasi sekitar sepuluh milidetik dan amplitudo hingga beberapa puluh ampere. Dalam hal ini, pelepasan energi melalui dada dapat mencapai 400 J (yang setara dengan energi potensial pon berat diangkat ke ketinggian 2,5 m). Penyediaan perangkat pelepasan listrik Alat yang menghentikan fibrilasi jantung disebut defibrillator. Defibrilator paling sederhana adalah rangkaian osilasi, terdiri dari kapasitor dengan kapasitas 20 μF dan kumparan induktansi 0,4 H. Dengan mengisi kapasitor ke tegangan 1–6 kV dan mengalirkannya melalui kumparan dan pasien, yang resistansinya sekitar 50 ohm, Anda dapat memperoleh pulsa arus yang diperlukan untuk menghidupkan kembali pasien.

Elektrostatik memberi cahaya

Lampu neon dapat berfungsi sebagai indikator kuat medan listrik. Untuk memastikannya, saat berada di ruangan gelap, gosok lampu dengan handuk atau syal - sebagai hasilnya permukaan luar Kaca lampu akan bermuatan positif, dan kain akan bermuatan negatif. Segera setelah ini terjadi, kita akan melihat kilatan cahaya muncul di tempat-tempat lampu yang kita sentuh dengan kain bermuatan. Pengukuran menunjukkan bahwa kuat medan listrik di dalam lampu neon yang berfungsi adalah sekitar 10 V/m. Dengan ketegangan seperti itu elektron bebas memiliki energi yang diperlukan untuk mengionisasi atom merkuri di dalam lampu neon.

Medan listrik di bawah saluran listrik tegangan tinggi – saluran listrik – dapat mencapai sangat nilai-nilai tinggi. Oleh karena itu, jika pada malam hari lampu neon ditancapkan ke tanah di bawah kabel listrik, maka akan menyala cukup terang (Gbr. 5). Jadi, dengan menggunakan energi medan elektrostatis, Anda dapat menerangi ruang di bawah kabel listrik.

Bagaimana elektrostatika memperingatkan kebakaran dan membuat asap lebih bersih

Dalam kebanyakan kasus, ketika memilih jenis detektor alarm kebakaran, preferensi diberikan pada sensor asap, karena kebakaran biasanya disertai dengan keluarnya asap. jumlah besar asap dan detektor jenis ini mampu memperingatkan orang-orang di dalam gedung tentang bahayanya. Detektor asap menggunakan prinsip ionisasi atau fotolistrik untuk mendeteksi asap di udara.

Detektor asap ionisasi mengandung sumber radiasi α (biasanya americium-241) yang mengionisasi udara di antara pelat elektroda logam, hambatan listrik di antaranya diukur secara konstan menggunakan sirkuit khusus. Ion-ion yang terbentuk sebagai hasil radiasi α memberikan konduktivitas antar elektroda, dan mikropartikel asap yang muncul di sana mengikat ion-ion tersebut, menetralkan muatannya dan dengan demikian meningkatkan resistansi antar elektroda, yang bereaksi. Diagram listrik, membunyikan alarm. Sensor berdasarkan prinsip ini menunjukkan sensitivitas yang sangat mengesankan, bereaksi bahkan sebelum tanda pertama adanya asap terdeteksi oleh makhluk hidup. Perlu diperhatikan bahwa sumber radiasi yang digunakan dalam sensor tidak menimbulkan bahaya apa pun bagi manusia, karena sinar alfa tidak dapat menembus selembar kertas sekalipun dan diserap seluruhnya oleh lapisan udara setebal beberapa sentimeter.

Kemampuan partikel debu untuk menggemparkan banyak digunakan dalam pengumpul debu elektrostatis industri. Gas yang mengandung, misalnya, partikel jelaga, naik ke atas, melewati jaring logam bermuatan negatif, akibatnya partikel-partikel ini memperoleh muatan negatif. Terus naik ke atas, partikel-partikel tersebut menemukan diri mereka dalam medan listrik pelat bermuatan positif, tempat mereka tertarik, setelah itu partikel-partikel tersebut jatuh ke dalam wadah khusus, dari mana mereka dikeluarkan secara berkala.

Bioelektrostatika

Salah satu penyebab asma adalah produk limbah tungau debu (Gbr. 6) - serangga berukuran sekitar 0,5 mm yang hidup di rumah kita. Penelitian telah menunjukkan bahwa serangan asma disebabkan oleh salah satu protein yang dikeluarkan serangga ini. Struktur protein ini menyerupai tapal kuda, yang kedua ujungnya bermuatan positif. Gaya tolak elektrostatik antara ujung-ujung protein berbentuk tapal kuda membuat strukturnya stabil. Namun, sifat suatu protein dapat diubah dengan menetralkan muatan positifnya. Hal ini dapat dilakukan dengan meningkatkan konsentrasi ion negatif di udara menggunakan ionizer apa pun, misalnya lampu gantung Chizhevsky (Gbr. 7). Pada saat yang sama, frekuensi serangan asma menurun.

Elektrostatika membantu tidak hanya menetralkan protein yang dikeluarkan oleh serangga, tetapi juga menangkapnya sendiri. Telah dikatakan bahwa rambut “berdiri tegak” jika diisi. Anda dapat membayangkan apa yang dialami serangga ketika mereka mendapati dirinya bermuatan listrik. Bulu-bulu terbaik di kaki mereka menyimpang sisi yang berbeda, dan serangga kehilangan kemampuan untuk bergerak. Perangkap kecoa yang ditunjukkan pada Gambar 8 didasarkan pada prinsip ini. Kecoa tertarik pada bubuk manis yang sebelumnya bermuatan listrik statis. Lapisi dengan bedak (warnanya putih pada gambar) permukaan miring, terletak di sekitar jebakan. Begitu sampai di bedak, serangga menjadi bermuatan dan berguling ke dalam perangkap.

Apa itu agen antistatis?

Pakaian, karpet, seprai, dll. Benda bermuatan listrik setelah bersentuhan dengan benda lain, dan terkadang hanya dengan pancaran udara. Dalam kehidupan sehari-hari dan di tempat kerja, muatan yang dihasilkan dengan cara ini sering disebut listrik statis.

Dalam kondisi atmosfer normal, serat alami (kapas, wol, sutra, dan viscose) menyerap kelembapan dengan baik (hidrofilik) sehingga sedikit menghantarkan listrik. Ketika serat tersebut bersentuhan atau bergesekan dengan bahan lain, muatan listrik berlebih muncul di permukaannya, tetapi sangat banyak waktu yang singkat, karena muatan segera mengalir kembali ke serat basah kain yang mengandung berbagai ion.

Berbeda dengan serat alami, serat sintetis (poliester, akrilik, polipropilen) tidak menyerap kelembapan dengan baik (hidrofobik), dan ion bergerak pada permukaannya lebih sedikit. Setelah kontak bahan sintetis satu sama lain mereka bermuatan dengan muatan yang berlawanan, tetapi karena muatan ini terkuras sangat lambat, bahan-bahan tersebut saling menempel, sehingga menimbulkan ketidaknyamanan dan tidak nyaman. Ngomong-ngomong, struktur rambut sangat mirip dengan serat sintetis dan juga bersifat hidrofobik, sehingga ketika bersentuhan, misalnya dengan sisir, rambut akan bermuatan listrik dan mulai saling tolak-menolak.

Untuk menghilangkan listrik statis, permukaan pakaian atau benda lain dapat dilumasi dengan bahan yang dapat mempertahankan kelembapan sehingga meningkatkan konsentrasi ion bergerak di permukaan. Setelah perlakuan tersebut, muatan listrik yang dihasilkan akan cepat hilang dari permukaan benda atau tersebar di atasnya. Hidrofilisitas suatu permukaan dapat ditingkatkan dengan melumasinya dengan surfaktan, yang molekulnya mirip dengan molekul sabun - satu bagian dari molekul yang sangat panjang bermuatan, dan bagian lainnya tidak. Zat yang mencegah munculnya listrik statis disebut zat antistatis. Misalnya, debu atau jelaga batu bara biasa merupakan zat antistatis, oleh karena itu, untuk menghilangkan listrik statis, bahan yang disebut lampu hitam dimasukkan dalam impregnasi bahan karpet dan pelapis. Untuk tujuan yang sama, hingga 3% serat alami dan terkadang benang logam tipis ditambahkan ke bahan tersebut.

Portal:Fisika

Elektrostatika- bagian ilmu kelistrikan yang mempelajari interaksi muatan listrik stasioner.

Di antara dari nama yang sama benda bermuatan, terjadi tolakan elektrostatis (atau Coulomb), dan di antaranya nama yang berbeda bermuatan - tarikan elektrostatis. Fenomena tolak-menolak muatan sejenis mendasari penciptaan elektroskop - alat untuk mendeteksi muatan listrik.

Elektrostatika didasarkan pada hukum Coulomb. Hukum ini menjelaskan interaksi muatan listrik titik.

Cerita

Fondasi elektrostatika diletakkan oleh karya Coulomb (meskipun sepuluh tahun sebelumnya, hasil yang sama, bahkan dengan akurasi yang lebih besar, diperoleh oleh Cavendish. Hasil karya Cavendish disimpan dalam arsip keluarga dan hanya dipublikasikan seratus bertahun-tahun kemudian); hukum interaksi listrik yang ditemukan oleh Poisson memungkinkan Green, Gauss dan Poisson menciptakan teori yang elegan secara matematis. Bagian terpenting dari elektrostatika adalah teori potensial, yang diciptakan oleh Green dan Gauss. Banyak penelitian eksperimental tentang elektrostatika dilakukan oleh Rees, yang buku-bukunya di masa lalu menjadi panduan utama untuk mempelajari fenomena ini.

Konstanta dielektrik

Menemukan nilai koefisien dielektrik K suatu zat, suatu koefisien yang termasuk dalam hampir semua rumus yang harus dihadapi dalam elektrostatika, dapat dilakukan dengan cara yang sangat berbeda. Metode yang paling umum digunakan adalah sebagai berikut.

1) Perbandingan kapasitansi listrik dari dua kapasitor yang mempunyai ukuran dan bentuk yang sama, tetapi yang satu lapisan insulasinya berupa lapisan udara, yang lain lapisan dielektrik yang diuji.

2) Perbandingan gaya tarik-menarik antara permukaan-permukaan kapasitor, ketika permukaan-permukaan tersebut diberi beda potensial tertentu, tetapi dalam satu hal terdapat udara di antara keduanya (gaya tarik-menarik = F 0), dalam kasus lain - isolator cairan uji (menarik gaya = F). Koefisien dielektrik dicari dengan rumus:

3) Pengamatan gelombang listrik (lihat. Getaran listrik), menyebar di sepanjang kabel. Menurut teori Maxwell, kecepatan rambat gelombang listrik sepanjang kabel dinyatakan dengan rumus

V = 1 K μ.

Biasanya panjang gelombang listrik berdiri yang timbul pada bagian kawat yang sama yang ada di udara dan pada uji dielektrik (cair) dibandingkan. Setelah menentukan panjang λ 0 dan λ ini, kita memperoleh K = λ 0 2 / λ 2. Menurut teori Maxwell, ketika medan listrik tereksitasi pada suatu zat isolasi, deformasi khusus terjadi di dalam zat tersebut. Sepanjang tabung induksi, media isolasi terpolarisasi. Perpindahan listrik timbul di dalamnya, yang dapat diibaratkan dengan pergerakan listrik positif sepanjang sumbu tabung-tabung ini, dan melalui setiap penampang tabung sejumlah listrik mengalir sama dengan

Teori Maxwell memungkinkan untuk menemukan ekspresi gaya-gaya internal (gaya tegangan dan tekanan) yang muncul dalam dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya. Pertanyaan ini pertama kali dipertimbangkan oleh Maxwell sendiri, dan kemudian secara lebih rinci oleh Helmholtz. Perkembangan lebih lanjut dari teori masalah ini dan teori elektrostriksi yang terkait erat (yaitu, teori yang mempertimbangkan fenomena yang bergantung pada terjadinya tegangan khusus pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya) termasuk dalam karya Lorberg, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller dan beberapa lainnya

Teori tentang masalah ini dan teori elektrostriksi yang berkaitan erat (yaitu, teori yang mempertimbangkan fenomena yang bergantung pada terjadinya tegangan khusus pada dielektrik ketika medan listrik tereksitasi di dalamnya) adalah milik karya Lorberg, Kirchhoff, P. .Duhem, N.N. Schiller dan beberapa lainnya.

Mari kita selesaikan presentasi singkat kita tentang aspek paling penting dari penyempitan listrik dengan mempertimbangkan masalah pembiasan tabung induksi. Mari kita bayangkan dua dielektrik dalam medan listrik, dipisahkan satu sama lain oleh suatu permukaan S, dengan koefisien dielektrik K 1 dan K 2.

Bagian terpenting dari departemen elektrostriksi adalah pertimbangan pertanyaan tentang pembiasan tabung induksi. Mari kita bayangkan dua dielektrik dalam medan listrik, dipisahkan satu sama lain oleh suatu permukaan S, dengan koefisien dielektrik K 1 dan K 2.

d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))

Mari kita nyatakan dengan ε 2 sudut yang dibuat oleh gaya F2 dengan normal n2 (di dalam dielektrik kedua), dan dengan ε 1 sudut yang dibuat oleh gaya F 1 dengan normal n 2 yang sama. Kemudian, dengan menggunakan rumus (31) dan (30), kami menemukan

Jadi, pada permukaan yang memisahkan dua dielektrik, gaya listrik mengalami perubahan arahnya, seperti sinar cahaya yang masuk dari satu medium ke medium lain. Konsekuensi teori ini dibenarkan oleh pengalaman.

Lihat juga

Pelepasan muatan listrik statis

literatur

Landau, LD, Lifshits, E.M. Teori lapangan. - Edisi ke-7, direvisi. - M.: Nauka, 1988. - 512 hal. - (“Fisika Teoretis”, volume II). - ISBN 5-02-014420-7
Matveev A.N. Listrik dan magnet. M.: lulusan sekolah, 1983.
Terowongan M.-A. Dasar-dasar elektromagnetisme dan teori relativitas. Per. dari fr. M.: Sastra asing, 1962.488 hal.
Borgman, “Dasar-dasar doktrin kelistrikan dan fenomena magnetik"(jilid I);
Maxwell, "Risalah tentang Listrik dan Magnet" (Vol. I);
Poincaré, "Listrik dan Optik";
Wiedemann, “Die Lehre von der Elektricität” (jilid I);

Tautan

Konstantin Bogdanov. Apa yang dapat dilakukan elektrostatika // Kuantum. - M.: Biro Quantum, 2010. - No.2.

Catatan

Bagian utama