Pagrindinės elektrostatinės fizikos formulės. III

Enciklopedinis „YouTube“.

1 / 5
Elektrostatikos pamatus padėjo Kulono darbas (nors prieš dešimt metų tokius pačius rezultatus, net ir dar didesniu tikslumu, pasiekė Cavendish. Cavendish darbo rezultatai buvo saugomi šeimos archyvas ir buvo paskelbti tik po šimto metų); paskutinis rastas įstatymas elektrinės sąveikos leido Greenui, Gaussui ir Poissonui sukurti matematiškai elegantišką teoriją. Svarbiausia elektrostatikos dalis yra potencialo teorija, kurią sukūrė Greenas ir Gausas. Daug eksperimentinių elektrostatikos tyrimų atliko Reesas, kurio knygos praeityje buvo pagrindinis šių reiškinių tyrimo vadovas.

Dielektrinė konstanta

Rasti bet kurios medžiagos dielektrinio koeficiento K reikšmę, koeficientą, įtrauktą į beveik visas formules, su kuriomis tenka susidoroti elektrostatinėje veikloje, galima gana. Skirtingi keliai. Dažniausiai naudojami metodai yra šie.
1) Dviejų kondensatorių elektrinių talpų palyginimas tie patys dydžiai ir forma, bet kuriame viename izoliaciniame sluoksnyje yra oro sluoksnis, kitame – bandomojo dielektriko sluoksnis.
2) Kondensatoriaus paviršių patrauklumo palyginimas, kai šiems paviršiams suteikiamas tam tikras potencialų skirtumas, tačiau vienu atveju tarp jų yra oro (traukos jėga = F 0), kitu atveju bandomasis skystis izoliatorius ( traukos jėga = F). Dielektrinis koeficientas randamas pagal formulę:
K = F 0 F . (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)
3) Elektros bangų (žr. Elektros virpesiai), sklindančių laidais, stebėjimai. Pagal Maksvelo teoriją elektros bangų sklidimo laidais greitis išreiškiamas formule
V = 1 K μ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu))).)
kurioje K žymi laidą supančios terpės dielektrinį koeficientą, μ – šios terpės magnetinį laidumą. Didžiajai daugumai kūnų galime dėti μ = 1, todėl taip ir paaiškėja
V = 1 K. (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)
Paprastai lyginami stovinčių elektrinių bangų, kylančių to paties laido dalyse, esančiose ore ir tiriamajame dielektrike (skystyje), ilgiai. Nustačius šiuos ilgius λ 0 ir λ, gauname K = λ 0 2 / λ 2. Pagal Maksvelo teoriją išeina, kad sužadinus elektrinis laukas bet kurioje izoliacinėje medžiagoje toje medžiagoje atsiranda ypatingų deformacijų. Išilgai indukcinių vamzdžių izoliacinė terpė yra poliarizuota. Tai kyla elektriniai poslinkiai, kurį galima palyginti su teigiamos elektros judėjimais šių vamzdžių ašių kryptimi ir per kiekvieną skerspjūvis vamzdeliu praeinančios elektros kiekis lygus
D = 1 4 π K F . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)
Maksvelo teorija leidžia rasti tų išraiškų vidines jėgas(įtempimo ir slėgio jėgos), kurios atsiranda dielektrikuose, kai juose sužadinamas elektrinis laukas. Šį klausimą pirmiausia svarstė pats Maxwellas, o vėliau išsamiau Helmholtzas. Tolimesnis vystymasŠio klausimo teorija ir glaudžiai susijusi elektrostrikcijos teorija (ty teorija, nagrinėjanti reiškinius, kurie priklauso nuo specialių įtampų atsiradimo dielektrikuose, kai juose sužadinamas elektrinis laukas) priklauso Lorbergo, Kirchhoffo, P. Duhem, N. N. Schiller ir kai kurie kiti.

Pasienio sąlygos

Pabaikime santrauka Reikšmingiausia elektrostrikcijos skyriaus dalis yra indukcinių vamzdžių lūžio klausimo svarstymas. Įsivaizduokime du dielektrikus elektriniame lauke, atskirtus vienas nuo kito kokiu nors paviršiumi S, kurių dielektriniai koeficientai K 1 ir K 2.
Tegul taškuose P 1 ir P 2, esančiuose be galo arti paviršiaus S abiejose jo pusėse, potencialų dydžiai išreiškiami per V 1 ir V 2 , o jėgų, kurias patiria teigiamos elektros vienetas, dydžiai. šiuos taškus per F 1 ir F 2. Tada taške P, esančiame pačiame paviršiuje S, turi būti 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))
jei ds reiškia be galo mažą poslinkį išilgai paviršiaus S liestinės plokštumos susikirtimo linijos taške P su plokštuma, einančia per normalę į paviršių šiame taške ir per jame veikiančios elektrinės jėgos kryptį. Kita vertus, turėtų būti
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))
Pažymime ε 2 jėgos F2 sudarytą kampą su normaliąja n2 (antrojo dielektriko viduje), o ε 1 kampą, kurį sudaro jėga F 1 su ta pačia normalia n 2 Tada, naudodami (31) formules ir (30), randame
t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)
Taigi, ant paviršiaus, atskiriančio du dielektrikus vienas nuo kito, elektrinė jėga patiria savo krypties pasikeitimą kaip šviesos spindulys patekimas iš vienos aplinkos į kitą. Ši teorijos pasekmė yra pateisinama patirtimi.
Pagrindiniai dinamikos dėsniai. Niutono dėsniai – pirmas, antras, trečias. Galilėjaus reliatyvumo principas. Visuotinės gravitacijos dėsnis. Gravitacija. Elastinės jėgos. Svoris. Trinties jėgos – atramos, slydimo, riedėjimo + trintis skysčiuose ir dujose.
Kinematika. Pagrindinės sąvokos. Vienodas tiesus judesys. Tolygiai pagreitintas judesys. Vienodas judėjimas ratu. Atskaitos sistema. Trajektorija, poslinkis, kelias, judėjimo lygtis, greitis, pagreitis, tiesinio ir kampinio greičio ryšys.
Paprasti mechanizmai. Svirtis (pirmos rūšies svirtis ir antros rūšies svirtis). Blokas (fiksuotas blokas ir kilnojamas blokas). Pasvirusi plokštuma. Hidraulinis presas. Auksinė mechanikos taisyklė
Apsaugos dėsniai mechanikoje. Mechaninis darbas, galia, energija, impulso tvermės dėsnis, energijos tvermės dėsnis, kietųjų kūnų pusiausvyra
Apvalus judėjimas. Judėjimo apskritime lygtis. Kampinis greitis. Normalus = įcentrinis pagreitis. Laikotarpis, cirkuliacijos dažnis (sukimas). Tiesinio ir kampinio greičio ryšys
Mechaninės vibracijos. Laisvos ir priverstinės vibracijos. Harmoninės vibracijos. Elastingos vibracijos. Matematinė švytuoklė. Energijos virsmai harmoninių virpesių metu
Mechaninės bangos. Greitis ir bangos ilgis. Keliaujančios bangos lygtis. Bangų reiškiniai (difrakcija, trukdžiai...)
Skysčių mechanika ir aeromechanika. Slėgis, hidrostatinis slėgis. Paskalio dėsnis. Pagrindinė hidrostatikos lygtis. Bendraujantys laivai. Archimedo dėsnis. Plaukimo sąlygos tel. Skysčio tekėjimas. Bernulio dėsnis. Torricelli formulė
Molekulinė fizika. Pagrindinės IRT nuostatos. Pagrindinės sąvokos ir formulės. Idealių dujų savybės. Pagrindinė MKT lygtis. Temperatūra. Idealiųjų dujų būsenos lygtis. Mendelejevo-Clayperono lygtis. Dujų dėsniai – izoterma, izobaras, izochoras
Bangų optika. Šviesos dalelių bangų teorija. Šviesos banginės savybės. Šviesos sklaida. Šviesos trukdžiai. Huygens-Fresnelio principas. Šviesos difrakcija. Šviesos poliarizacija
Termodinamika. Vidinė energija. Darbas. Šilumos kiekis. Šiluminiai reiškiniai. Pirmasis termodinamikos dėsnis. Pirmojo termodinamikos dėsnio taikymas įvairiems procesams. Šiluminio balanso lygtis. Antrasis termodinamikos dėsnis. Šilumos varikliai
Dabar esate čia: Elektrostatika. Pagrindinės sąvokos. Elektros krūvis. Elektros krūvio tvermės dėsnis. Kulono dėsnis. Superpozicijos principas. Trumpojo nuotolio veikimo teorija. Elektrinio lauko potencialas. Kondensatorius.
Nuolatinė elektros srovė. Omo dėsnis grandinės atkarpai. DC veikimas ir galia. Džaulio-Lenco dėsnis. Omo dėsnis visai grandinei. Faradėjaus elektrolizės dėsnis. Elektros grandinės – nuoseklusis ir lygiagretusis jungimas. Kirchhoffo taisyklės.
Elektromagnetiniai virpesiai. Laisvieji ir priverstiniai elektromagnetiniai virpesiai. Virpesių grandinė. Kintamoji elektros srovė. Kondensatorius kintamosios srovės grandinėje. Induktorius („solenoidas“) kintamosios srovės grandinėje.
Reliatyvumo teorijos elementai. Reliatyvumo teorijos postulatai. Vienalaikiškumo, atstumų, laiko intervalų reliatyvumas. Reliatyvistinis greičių pridėjimo dėsnis. Masės priklausomybė nuo greičio. Pagrindinis reliatyvistinės dinamikos dėsnis...
Tiesioginių ir netiesioginių matavimų klaidos. Absoliuti, santykinė klaida. Sisteminės ir atsitiktinės klaidos. Standartinis nuokrypis (klaida). Įvairių funkcijų netiesioginių matavimų paklaidų nustatymo lentelė.

Taip pat į Senovės Graikija Pastebėta, kad kailiu patrintas gintaras pradeda traukti smulkias daleles – dulkes ir trupinius. Ilgam laikui(iki XVIII a. vidurio) negalėjo pateikti rimto pagrindimo šis reiškinys. Tik 1785 metais Kulonas, stebėdamas įkrautų dalelių sąveiką, išvedė pagrindinį jų sąveikos dėsnį. Maždaug po pusės amžiaus Faradėjus ištyrė ir susistemino elektros srovių ir magnetinių laukų veikimą, o po trisdešimties metų Maxwellas pagrindė šią teoriją. elektromagnetinis laukas.

Elektros krūvis

Pirmą kartą terminai „elektra“ ir „elektrifikacija“ naudojami kaip išvestiniai Lotyniškas žodis„electri“ – gintarą 1600 m. pristatė anglų mokslininkas W. Gilbertas, norėdamas paaiškinti reiškinius, atsirandančius, kai gintaras trinamas kailiu arba stiklas su oda. Taigi kūnai, turintys elektrines savybes imta vadinti elektriniu krūviu, tai yra, jiems buvo perduotas elektros krūvis.

Iš to, kas išdėstyta pirmiau, darytina išvada, kad elektros krūvis yra kiekybinė charakteristika, rodanti galimo kūno dalyvavimo elektromagnetinė sąveika. Krūvis žymimas q arba Q ir jo talpa kulonas (C)

Atlikus daugybę eksperimentų, buvo gautos pagrindinės savybės elektros krūviai:

Yra dviejų tipų krūviai, kurie sutartinai vadinami teigiamais ir neigiamais;
elektros krūviai gali būti perduodami iš vieno kūno į kitą;
to paties pavadinimo elektros krūviai vienas kitą atstumia, o to paties pavadinimo elektros krūviai vienas kitą traukia.

Be to, buvo nustatytas krūvio išsaugojimo įstatymas: algebrinė suma elektros krūviai uždaroje (izoliuotoje) sistemoje išlieka pastovūs

1749 metais amerikiečių išradėjas Benjaminas Franklinas iškėlė elektros reiškinių teoriją, pagal kurią elektra yra įkrautas skystis, kurio trūkumą jis apibrėžė kaip neigiamą elektrą, o kurio perteklius yra teigiama elektra. Taip atsirado garsusis elektrotechnikos paradoksas: pagal B. Franklino teoriją elektra teka iš teigiamo poliaus į neigiamą.

Pagal šiuolaikinė teorija medžiagų struktūra, visos medžiagos susideda iš molekulių ir atomų, kurie savo ruožtu susideda iš atomo branduolio ir aplink jį besisukančių elektronų „e“. Branduolys yra nehomogeniškas ir susideda iš protonų „p“ ir neutronų „n“. Be to, elektronai yra neigiamo krūvio dalelės, o protonai – teigiamai. Kadangi atstumas tarp elektronų ir atomo branduolio gerokai viršija pačių dalelių dydį, elektronai gali būti atskirti nuo atomo, taip sukeldami elektros krūvių judėjimą tarp kūnų.

Be aukščiau aprašytų savybių, elektros krūvis turi dalijimosi savybę, tačiau yra minimalaus galimo nedalimojo krūvio vertė, lygi absoliučioji vertė elektronų krūvis (1,6 * 10 -19 C), dar vadinamas elementarus krūvis. Šiuo metu įrodyta, kad egzistuoja dalelės, kurių elektros krūvis mažesnis nei elementarusis, vadinamos kvarkais, tačiau jų gyvavimo laikas yra nereikšmingas ir neaptikta laisvos būsenos.

Kulono dėsnis. Superpozicijos principas

Stacionarių elektros krūvių sąveiką tiria fizikos šaka, vadinama elektrostatika, kuri iš tikrųjų yra pagrįsta Kulono dėsniu, kuris buvo gautas remiantis daugybe eksperimentų. Šis įstatymas, taip pat elektros krūvio vienetas buvo pavadinti vardais prancūzų fizikas Charlesas Coulonas.

Coulombas savo eksperimentais nustatė, kad dviejų mažų elektros krūvių sąveikos jėga paklūsta šioms taisyklėms:

jėga proporcinga kiekvieno krūvio dydžiui;
jėga atvirkščiai proporcinga atstumų tarp jų kvadratui;
jėgos kryptis nukreipta išilgai tiesės, jungiančios krūvius;
jėga yra trauka, jei kūnai įkrauti priešingai, ir atstūmimas, jei krūviai panašūs.

Taigi Kulono dėsnis išreiškiamas tokia formule

kur q1, q2 – elektros krūvių dydis,

r yra atstumas tarp dviejų krūvių,

k yra proporcingumo koeficientas, lygus k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kur ε 0 yra elektrinė konstanta, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m 2).

Norėčiau pažymėti, kad anksčiau elektrinė konstanta ε0 buvo vadinama dielektrine konstanta arba dielektrinė konstanta vakuumas.

Kulono dėsnis pasireiškia ne tik tada, kai sąveikauja du krūviai, bet ir tai, kad kelių krūvių sistemos yra dažnesnės. Šiuo atveju Kulono dėsnį papildo dar vienas reikšmingas veiksnys, vadinamas „superpozicijos principu“ arba superpozicijos principu.

Superpozicijos principas grindžiamas dviem taisyklėmis:

kelių jėgų įtaka įelektrintai dalelei yra vektorinė šių jėgų įtakų suma;
bet koks sudėtingas judėjimas susideda iš kelių paprastų judesių.

Superpozicijos principą, mano nuomone, lengviausia pavaizduoti grafiškai

Paveiksle pavaizduoti trys krūviai: -q 1, +q 2, +q 3. Norint apskaičiuoti bendrą jėgą F, kuri veikia krūvį -q 1, pagal Kulono dėsnį reikia apskaičiuoti sąveikos jėgas F1 ir F2 tarp -q 1, +q 2 ir -q 1, +q 3. Tada sudėkite gautas jėgas pagal vektorių sudėjimo taisyklę. IN tokiu atveju F paprastai apskaičiuojamas kaip lygiagretainio įstrižainė, naudojant šią išraišką

čia α yra kampas tarp vektorių F1 ir F2.

Elektrinis laukas. Elektrinio lauko stiprumas

Bet kokia sąveika tarp krūvių, dar vadinama Kulono sąveika(pavadintas Kulono dėsniu) įvyksta padedant elektrostatinis laukas, kuris yra laike nekintantis elektrinis laukas stacionarūs krūviai. Elektrinis laukas yra elektromagnetinio lauko dalis ir jį sukuria elektros krūviai arba įkrauti kūnai. Elektrinis laukas veikia krūvius ir įkrautus kūnus, nepriklausomai nuo to, ar jie juda, ar yra ramybės būsenoje.

Vienas iš pamatines sąvokas Elektrinis laukas yra jo intensyvumas, kuris apibrėžiamas kaip jėgos, veikiančios elektrinio lauko krūvį, ir šio krūvio dydžio santykis. Dėl atskleidimo ši koncepcija būtina įvesti tokią sąvoką kaip „bandomasis mokestis“.

„Bandomasis krūvis“ – tai krūvis, kuris nedalyvauja sukuriant elektrinį lauką, taip pat turi labai mažą vertę, todėl dėl savo buvimo nesukelia krūvių persiskirstymo erdvėje, taip neiškraipydamas elektrinio lauko. sukuriami elektros krūvių.

Taigi, jei įvesite „bandomąjį krūvį“ q 0 į tašką, esantį tam tikru atstumu nuo krūvio q, tada tam tikra jėga F veiks „bandomąjį krūvį“ q P dėl krūvio q. Jėgos F 0, veikiančios bandomąjį krūvį, santykis pagal Kulono dėsnį ir „bandomojo krūvio“ vertę vadinamas elektrinio lauko stipriu. Elektrinio lauko stipris žymimas E ir turi N/C talpą

Elektrostatinio lauko potencialas. Potencialus skirtumas

Kaip žinote, jei kūną veikia kokia nors jėga, tai toks kūnas atlieka tam tikrą darbą. Vadinasi, elektriniame lauke esantis krūvis taip pat veiks. Elektriniame lauke krūvio atliekamas darbas nepriklauso nuo judėjimo trajektorijos, o yra nulemtas tik dalelės užimamos padėties judėjimo pradžioje ir pabaigoje. Fizikoje į elektrinį lauką panašūs laukai (kur darbas nepriklauso nuo kūno trajektorijos) vadinami potencialiais.

Kūno atliekamą darbą lemia tokia išraiška

kur F yra jėga, kuri neveikia kūną,

S yra atstumas, kurį kūnas nuvažiuoja veikiant jėgai F,

α – kampas tarp kūno judėjimo krypties ir jėgos F veikimo krypties.

Tada „bandomojo krūvio“ darbas elektriniame lauke, kurį sukuria krūvis q 0, bus nustatytas pagal Kulono dėsnį.

kur q P yra „bandomasis krūvis“,

q 0 – krūvis, sukuriantis elektrinį lauką,

r 1 ir r 2 – atitinkamai atstumas tarp q П ir q 0 pradinėje ir galutinėje „bandomojo įkrovimo“ padėtyse.

Kadangi atliktas darbas yra susijęs su potencinės energijos W P pokyčiu, tai

O potenciali „bandomojo krūvio“ energija kiekviename konkrečiame judėjimo trajektorijos taške bus nustatyta pagal šią išraišką

Kaip matyti iš išraiškos, pasikeitus „bandomojo krūvio“ q p dydžiui, potencinės energijos W P reikšmė pasikeis proporcingai q p, todėl elektriniam laukui apibūdinti buvo įvestas kitas parametras, vadinamas elektrinio lauko potencialas φ, kuris yra energetines charakteristikas ir apibrėžiamas tokia išraiška

čia k yra proporcingumo koeficientas, lygus k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2), kur ε 0 yra elektrinė konstanta, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m 2).

Taigi elektrostatinio lauko potencialas yra energijos charakteristika, apibūdinanti potencialią energiją, kurią turi įdėtas krūvis. šį tašką elektrostatinis laukas.

Iš to, kas išdėstyta aukščiau, galime daryti išvadą, kad darbas, atliktas perkeliant krūvį iš vieno taško į kitą, gali būti nustatytas iš šios išraiškos

Tai yra, elektrostatinio lauko jėgų atliktas darbas perkeliant krūvį iš vieno taško į kitą yra lygus krūvio ir potencialų skirtumo sandaugai pradiniame ir pabaigos taškai trajektorijos.

Atliekant skaičiavimus, patogiausia žinoti potencialų skirtumą tarp elektrinio lauko taškų, o ne konkrečios vertės potencialai tam tikruose taškuose, todėl kalbėdami apie bet kurio lauko taško potencialą, turime galvoje potencialų skirtumą tarp duoto lauko taško ir kito lauko taško, kurio potencialas yra lygus nuliui.

Potencialų skirtumas nustatomas pagal šią išraišką ir jo matmuo yra voltas (V)

Tęskite skaitymą kitame straipsnyje

Teorija gera, bet be praktinis pritaikymas tai tik žodžiai.

... Visos elektrostatikos prognozės išplaukia iš dviejų jos dėsnių.
Tačiau vienas dalykas yra šiuos dalykus išreikšti matematiškai, o visai kas kita
pritaikykite juos lengvai ir su reikiamu sąmoju.
Richardas Feynmanas

Elektrostatika tiria stacionarių krūvių sąveiką. Pagrindiniai elektrostatikos eksperimentai buvo atlikti XVII ir XVIII a. Laimingas atidarymas elektromagnetiniai reiškiniai ir technologijų revoliucijos, kurią jie gamino, susidomėjimas elektrostatika kurį laiką buvo prarastas. Tačiau modernus Moksliniai tyrimai Rodyti Gera vertė elektrostatika, skirta suprasti daugelį gyvosios ir negyvosios gamtos procesų.

Elektrostatika ir gyvenimas

1953 m. amerikiečių mokslininkai S. Milleris ir G. Urey įrodė, kad vieną iš „gyvybės statybinių blokų“ – aminorūgštis – galima gauti praleidžiant elektros iškrovą per dujas, savo sudėtimi panašias į primityviąją Žemės atmosferą, susidedančią metano, amoniako, vandenilio ir vandens garų. Per ateinančius 50 metų kiti tyrėjai pakartojo šiuos eksperimentus ir gavo tuos pačius rezultatus. Kai per bakterijas praeina trumpi srovės impulsai, jų apvalkale (membranoje) atsiranda poros, pro kurias gali prasiskverbti kitų bakterijų DNR fragmentai, suaktyvindami vieną iš evoliucijos mechanizmų. Taigi gyvybės atsiradimui Žemėje ir jos evoliucijai reikalinga energija iš tiesų galėtų būti žaibo išlydžių elektrostatinė energija (1 pav.).

Kaip elektrostatika sukelia žaibą

Kiekvieną laiko akimirką skirtingus taškusŽemėje žaibuoja apie 2000 žaibų, kiekvieną sekundę į Žemę trenkia apie 50 žaibų. kvadratinis kilometrasĮ Žemės paviršių žaibas trenkia vidutiniškai šešis kartus per metus. Dar XVIII amžiuje Benjaminas Franklinas įrodė, kad iš griaustinio debesų trenkiantys žaibai yra elektros iškrovos, pernešančios neigiamas mokestis. Be to, kiekviena iškrova Žemei tiekia kelias dešimtis kulonų elektros, o srovės amplitudė žaibo smūgio metu svyruoja nuo 20 iki 100 kiloamperų. Didelės spartos fotografija parodė, kad žaibo trenksmas trunka tik dešimtąsias sekundės dalis ir kad kiekvienas žaibas susideda iš kelių trumpesnių.

XX amžiaus pradžioje ant atmosferos zondų sumontuotais matavimo prietaisais buvo išmatuotas Žemės elektrinis laukas, kurio intensyvumas paviršiuje buvo maždaug 100 V/m, o tai atitinka bendrą planetos krūvį. apie 400 000 C. Krūvių nešėjai Žemės atmosferoje yra jonai, kurių koncentracija didėja didėjant aukščiui ir pasiekia maksimumą 50 km aukštyje, kur veikiami kosminė spinduliuotė Susidarė elektrai laidus sluoksnis – jonosfera. Todėl galime sakyti, kad Žemės elektrinis laukas yra sferinio kondensatoriaus, kurio įtampa yra apie 400 kV, laukas. Veikiant šiai įtampai nuo viršutiniai sluoksniaiį apatines visą laiką teka 2–4 kA srovė, kurios tankis (1–2) 10 –12 A/m 2, o energijos išsiskiria iki 1,5 GW. Ir jei nebūtų žaibo, šis elektrinis laukas išnyktų! Pasirodo, kad į geras orasŽemės elektrinis kondensatorius išsikrauna, o per perkūniją – įkraunamas.

Perkūnijos debesis yra puiki suma garų, kurių dalis kondensavosi mažyčių lašelių ar ledo gabalėlių pavidalu. Griaustinio debesies viršus gali būti 6–7 km aukštyje, o dugnas gali kabėti virš žemės 0,5–1 km aukštyje. Virš 3–4 km debesys susideda iš ledo lyčių skirtingų dydžių, nes temperatūra ten visada žemiau nulio. Šie ledo gabalai yra viduje nuolatinis judėjimas, kurią sukelia aukštyn kylančios šilto oro srovės, kylančios iš apačios nuo įkaitusio žemės paviršiaus. Maži ledo gabalėliai yra lengvesni už didelius, juos nuneša kylančios oro srovės ir pakeliui susiduria su dideliais. Su kiekvienu tokiu susidūrimu įvyksta elektrifikacija, kurios metu dideli ledo gabalai įkraunami neigiamai, o maži – teigiamai. Laikui bėgant teigiamai įkrauti smulkūs ledo gabalėliai daugiausia kaupiasi viršutinėje debesies dalyje, o neigiamo krūvio dideli – apačioje (2 pav.). Kitaip tariant, debesies viršus įkraunamas teigiamai, o apačia – neigiamai. Tuo pačiu metu ant žemės tiesiai žemiau perkūnijos debesis yra nukreipiami teigiami krūviai. Dabar viskas paruošta žaibo išlydžiui, kurio metu įvyksta oro gedimas ir neigiamas krūvis iš griaustinio debesies dugno teka į Žemę.

Būdinga, kad prieš perkūniją Žemės elektrinio lauko stiprumas gali siekti 100 kV/m, t.y., esant geram orui, 1000 kartų didesnis už jo vertę. Dėl to didėja teigiamas kiekvieno plauko krūvis ant žmogaus, stovinčio po tuo pačiu kiekiu. perkūnijos debesis, o jie, stumdamiesi vienas nuo kito, atsistoja ant galo (3 pav.).

Fulguritas – žaibo pėdsakas žemėje

Žaibo išlydžio metu išsiskiria 10 9 – 10 10 J eilės energija. DaugumaŠi energija eikvojama griaustiniui, orui šildyti, mirksėti šviesai ir kitai skleisti elektromagnetines bangas, ir tik nedidelė dalis išleidžiama toje vietoje, kur žaibas patenka į žemę. Tačiau net ir šios „mažos“ dalies pakanka, kad kiltų gaisras, žūtų žmogus ar sunaikintų pastatą. Žaibas gali įkaitinti kanalą, kuriuo jis juda, iki 30 000°C, o tai yra daug aukštesnė nei smėlio lydymosi temperatūra (1600–2000°C). Todėl žaibas, trenkdamas į smėlį, jį ištirpdo, o karštas oras ir vandens garai, besiplečiantys, iš išlydyto smėlio suformuoja vamzdelį, kuris po kurio laiko sukietėja. Taip gimsta fulguritai (griaustinio strėlės, velnio pirštai) - tuščiaviduriai cilindrai iš lydyto smėlio (4 pav.). Ilgiausiai iškasti fulguritai pateko po žeme į daugiau nei penkių metrų gylį.

Kaip elektrostatika apsaugo nuo žaibo

Laimei, dauguma žaibų trenkia tarp debesų, todėl nekelia pavojaus žmonių sveikatai. Tačiau manoma, kad žaibas kasmet pražudo daugiau nei tūkstantį žmonių visame pasaulyje. Bent jau JAV, kur tokia statistika vedama, kasmet nuo žaibo smūgių nukenčia apie tūkstantis žmonių ir daugiau nei šimtas jų miršta. Mokslininkai jau seniai bandė apsaugoti žmones nuo šios „Dievo bausmės“. Pavyzdžiui, pirmojo elektrinio kondensatoriaus (Leyden jar) išradėjas Pieteris van Muschenbrouckas garsiajai prancūzų enciklopedijai parašytame straipsnyje apie elektrą gynė tradicinius žaibo prevencijos būdus – skambinti varpais ir šaudyti patrankas, kurie, jo manymu, yra gana veiksmingi. .

1750 m. Franklinas išrado žaibolaidį. Bandydamas apsaugoti Merilando sostinės pastatą nuo žaibo smūgio, jis prie pastato pritvirtino storą geležinį strypą, išsikišantį kelis metrus virš kupolo ir prijungtą prie žemės. Mokslininkas atsisakė patentuoti savo išradimą, norėdamas, kad jis kuo greičiau pradėtų tarnauti žmonėms. Žaibolaidžio veikimo mechanizmą nesunku paaiškinti, jei prisiminsime, kad elektrinio lauko stipris šalia įkrauto laidininko paviršiaus didėja didėjant šio paviršiaus kreivumui. Todėl po perkūnijos debesimi šalia žaibolaidžio smaigalio lauko stiprumas bus toks didelis, kad sukels aplinkinio oro jonizaciją ir jame vainikinę iškrovą. Dėl to labai padidės tikimybė, kad žaibas pataikys į žaibolaidį. Taigi elektrostatikos žinios leido ne tik paaiškinti žaibo kilmę, bet ir rasti būdą, kaip nuo jų apsisaugoti.

Žinia apie Franklino žaibolaidį greitai pasklido po visą Europą ir jis buvo išrinktas į visas akademijas, taip pat ir į Rusijos. Tačiau kai kuriose šalyse pamaldūs gyventojai šį išradimą sutiko su pasipiktinimu. Pati mintis, kad žmogus gali taip lengvai ir paprastai prisijaukinti pagrindinį Dievo rūstybės ginklą, atrodė šventvagiška. Todėl skirtingose vietose žmonės dėl pamaldžių priežasčių sulaužė žaibolaidžius.

Keistas incidentas įvyko 1780 metais mažame šiaurės Prancūzijos miestelyje, kur miestiečiai pareikalavo nugriauti geležinį žaibolaidžio stiebą ir byla buvo nagrinėjama teisme. Žaibolaidį nuo obskurantų atakų gynęs jaunasis teisininkas savo gynybą grindė tuo, kad tiek žmogaus protas, tiek jo sugebėjimas nugalėti gamtos jėgas yra dieviškos kilmės. Viskas, kas padeda išgelbėti gyvybę, yra į gera, – argumentavo jaunasis teisininkas. Jis laimėjo bylą ir įgijo didelę šlovę. Advokato vardas buvo... Maksimilianas Robespjeras.

Na, o dabar žaibolaidžio išradėjo portretas yra geidžiamiausia reprodukcija pasaulyje, nes puošia visiems žinomą šimto dolerių banknotą.

Elektrostatika, sugrąžinanti gyvybę

Energija iš kondensatoriaus iškrovos ne tik paskatino gyvybės atsiradimą Žemėje, bet ir gali atkurti gyvybę žmonėms, kurių širdies ląstelės nustojo plakti sinchroniškai. Asinchroninis (chaotiškas) širdies ląstelių susitraukimas vadinamas virpėjimu. Širdies virpėjimą galima sustabdyti leidžiant trumpą srovės impulsą per visas jos ląsteles. Tam ant paciento krūtinės uždedami du elektrodai, per kuriuos perduodamas maždaug dešimties milisekundžių trukmės impulsas, kurio amplitudė siekia iki kelių dešimčių amperų. Šiuo atveju iškrovos energija per krūtinė gali siekti 400 J (tai yra lygi potencinė energija svaro svoris pakeltas į 2,5 m aukštį). Prietaiso tiekimas elektros iškrova Prietaisas, stabdantis širdies virpėjimą, vadinamas defibriliatoriumi. Paprasčiausias defibriliatorius yra virpesių grandinė, susidedantis iš 20 μF talpos kondensatoriaus ir 0,4 H induktyvumo ritės. Įkraunant kondensatorių iki 1–6 kV įtampos ir iškraunant jį per ritę ir pacientą, kurio varža apie 50 omų, galima gauti srovės impulsą, reikalingą pacientui atgaivinti.

Elektrostatika suteikia šviesą

Liuminescencinė lempa gali būti patogus elektrinio lauko stiprumo indikatorius. Norėdami tuo įsitikinti, būdami tamsioje patalpoje, patrinkite lempą rankšluosčiu ar skara – dėl to išorinis paviršius Lempos stiklas bus įkraunamas teigiamai, o audinys – neigiamai. Kai tik tai atsitiks, tose lempos vietose, kurias paliečiame įkrautu skudurėliu, pamatysime šviesos blyksnius. Matavimai parodė, kad veikiančios liuminescencinės lempos viduje elektrinio lauko stipris yra apie 10 V/m. Su tokia įtampa laisvųjų elektronų turėti reikiamos energijos gyvsidabrio atomams fluorescencinėje lempoje jonizuoti.

Elektrinis laukas po aukštos įtampos elektros linijomis – elektros linijomis – gali siekti labai didelės vertės. Todėl jei naktį fluorescencinė lempa bus įsprausta į žemę po elektros linija, ji užsidegs, ir gana ryškiai (5 pav.). Taigi, naudodami elektrostatinio lauko energiją, galite apšviesti erdvę po elektros linijomis.

Kaip elektrostatika įspėja apie gaisrą ir padaro dūmus švaresnius

Daugeliu atvejų, renkantis gaisro signalizacijos detektoriaus tipą, pirmenybė teikiama dūmų davikliui, nes gaisrą dažniausiai lydi signalo išleidimas. didelis kiekis dūmų ir tokio tipo detektorius geba perspėti pastate esančius žmones apie pavojų. Dūmų detektoriai naudoja jonizaciją arba fotoelektrinį principą dūmams ore aptikti.

Jonizaciniuose dūmų detektoriuose yra α spinduliuotės šaltinis (dažniausiai americis-241), kuris jonizuoja orą tarp metalinių elektrodų plokštelių, kurių elektrinė varža nuolat matuojama specialia grandine. Dėl α-spinduliavimo susidarę jonai užtikrina laidumą tarp elektrodų, o ten atsiradusios dūmų mikrodalelės jungiasi su jonais, neutralizuoja jų krūvį ir taip padidina varžą tarp elektrodų, kurie reaguoja. elektros schema, skamba žadintuvas. Šiuo principu veikiantys jutikliai demonstruoja labai įspūdingą jautrumą, sureaguoja dar prieš tai, kai gyvas padaras aptinka patį pirmąjį dūmų požymį. Pažymėtina, kad daviklyje naudojamas spinduliuotės šaltinis nekelia jokio pavojaus žmonėms, nes alfa spinduliai negali praeiti net per popieriaus lapą ir yra visiškai sugeriami kelių centimetrų storio oro sluoksnio.

Dulkių dalelių gebėjimas elektrifikuotis plačiai naudojamas pramoniniuose elektrostatiniuose dulkių surinktuvuose. Dujos, kuriose yra, pavyzdžiui, suodžių dalelių, kylančios aukštyn, praeina per neigiamo krūvio metalinį tinklelį, dėl kurio šios dalelės įgauna neigiamą krūvį. Toliau kildamos aukštyn dalelės atsiduria teigiamai įkrautų plokščių elektriniame lauke, prie kurio prisitraukia, o po to dalelės patenka į specialius konteinerius, iš kurių periodiškai pašalinamos.

Bioelektrostatika

Viena iš astmos priežasčių yra dulkių erkučių atliekos (6 pav.) – mūsų namuose gyvenantys apie 0,5 mm dydžio vabzdžiai. Tyrimai parodė, kad astmos priepuolius sukelia vienas iš šių vabzdžių išskiriamų baltymų. Šio baltymo struktūra primena pasagą, kurios abu galai yra teigiamai įkrauti. Elektrostatinės atstumiančios jėgos tarp tokio pasagos formos baltymo galų daro jo struktūrą stabilią. Tačiau baltymo savybes galima pakeisti neutralizuojant jo teigiamus krūvius. Tai galima padaryti didinant koncentraciją neigiamų jonų ore naudojant bet kokį jonizatorių, pavyzdžiui, Čiževskio sietyną (7 pav.). Kartu mažėja astmos priepuolių dažnis.

Elektrostatika padeda ne tik neutralizuoti vabzdžių išskiriamus baltymus, bet ir patiems juos sugauti. Jau buvo pasakyta, kad plaukai „stojasi ant kojų“, jei jie yra įkrauti. Galite įsivaizduoti, ką patiria vabzdžiai, kai jie yra įkrauti elektra. Ploniausi plaukeliai ant jų letenų išsiskiria į skirtingos pusės, o vabzdžiai praranda galimybę judėti. 8 paveiksle parodytas tarakonų gaudyklė yra pagrįsta šiuo principu. Padenkite milteliais (nuotraukoje balti) pasviręs paviršius, esantis aplink spąstus. Patekę į miltelius, vabzdžiai pasikrauna ir susisuka į spąstus.

Kas yra antistatinės medžiagos?

Drabužiai, kilimai, lovatiesės ir kt. objektai įkraunami po kontakto su kitais daiktais, o kartais tiesiog oro srove. Kasdieniame gyvenime ir darbe tokiu būdu susidarantys krūviai dažnai vadinami statine elektra.

Esant normalioms atmosferos sąlygoms, natūralūs pluoštai (medvilnė, vilna, šilkas ir viskozė) gerai sugeria drėgmę (hidrofiliniai), todėl šiek tiek praleidžia elektrą. Tokiems pluoštams liečiant ar trinantis kitas medžiagas, ant jų paviršių atsiranda perteklinių elektros krūvių, bet labai trumpam laikui, nes krūviai iš karto nuteka atgal šlapiais audinio pluoštais, kuriuose yra įvairių jonų.

Skirtingai nuo natūralaus pluošto, sintetiniai pluoštai (poliesteris, akrilas, polipropilenas) blogai sugeria drėgmę (hidrofobiniai), jų paviršiuose yra mažiau judrių jonų. Susisiekus sintetinės medžiagos vienas su kitu jie yra įkraunami priešingais krūviais, tačiau kadangi šie krūviai nuteka labai lėtai, medžiagos prilimpa viena prie kitos, sukeldamos nepatogumų ir diskomfortas. Beje, plaukai savo struktūra labai artimi sintetiniams pluoštams, be to, yra hidrofobiški, todėl susilietus, pavyzdžiui, su šukomis, jie pasikrauna elektra ir ima atstumti vienas kitą.

Norint atsikratyti statinės elektros, drabužių ar kitų daiktų paviršius gali būti suteptas medžiaga, kuri sulaiko drėgmę ir taip padidina judriųjų jonų koncentraciją paviršiuje. Po tokio apdorojimo susidaręs elektros krūvis greitai išnyks nuo objekto paviršiaus arba pasiskirstys po jį. Paviršiaus hidrofiliškumą galima padidinti sutepus jį aktyviosiomis paviršiaus medžiagomis, kurių molekulės panašios į muilo molekules – viena labai ilgos molekulės dalis yra įkrauta, o kita – ne. Medžiagos, neleidžiančios atsirasti statinei elektrai, vadinamos antistatinėmis medžiagomis. Pavyzdžiui, paprastos anglies dulkės ar suodžiai yra antistatinė priemonė, todėl, norint atsikratyti statinės elektros, į kilimų ir apmušalų medžiagų impregnavimą įtraukiama vadinamoji lempos juoda spalva. Tais pačiais tikslais į tokias medžiagas dedama iki 3% natūralaus pluošto ir kartais plonų metalinių siūlų.

Portalas: Fizika

Elektrostatika- elektros studijų skyrius, tiriantis stacionarių elektros krūvių sąveiką.

Tarp to paties pavadinimoįkrauti kūnai, atsiranda elektrostatinis (arba Kulono) atstūmimas ir tarp skirtingi vardaiįkrautas – elektrostatinė trauka. Panašių krūvių atstūmimo reiškinys yra elektroskopo - prietaiso elektros krūviams aptikti - sukūrimo pagrindas.

Elektrostatika pagrįsta Kulono dėsniu. Šis dėsnis apibūdina taškinių elektros krūvių sąveiką.

Istorija

Elektrostatikos pamatus padėjo Kulono darbas (nors prieš jį dešimt metų tokius pačius rezultatus, net ir dar didesniu tikslumu, pasiekė Cavendish. Cavendish darbo rezultatai buvo saugomi šeimos archyve ir buvo paskelbti vos šimtą po daugelio metų); pastarųjų atrastas elektrinės sąveikos dėsnis leido Greenui, Gaussui ir Poissonui sukurti matematiškai elegantišką teoriją. Svarbiausia elektrostatikos dalis yra potencialo teorija, kurią sukūrė Greenas ir Gausas. Daug eksperimentinių elektrostatikos tyrimų atliko Reesas, kurio knygos praeityje buvo pagrindinis šių reiškinių tyrimo vadovas.

Dielektrinė konstanta

Bet kurios medžiagos dielektrinio koeficiento K reikšmę, koeficientą, įtrauktą į beveik visas elektrostatikos formules, galima atlikti labai įvairiais būdais. Dažniausiai naudojami metodai yra šie.

1) Dviejų vienodo dydžio ir formos kondensatorių, kurių viename izoliacinis sluoksnis yra oro sluoksnis, kitame - bandomojo dielektriko sluoksnis, elektrinių talpų palyginimas.

2) Kondensatoriaus paviršių patrauklumo palyginimas, kai šiems paviršiams suteikiamas tam tikras potencialų skirtumas, tačiau vienu atveju tarp jų yra oro (traukos jėga = F 0), kitu atveju bandomasis skystis izoliatorius ( traukos jėga = F). Dielektrinis koeficientas randamas pagal formulę:

3) Elektrinių bangų stebėjimai (žr. Elektrinės vibracijos), plinta palei laidus. Pagal Maksvelo teoriją elektros bangų sklidimo laidais greitis išreiškiamas formule

kurioje K žymi laidą supančios terpės dielektrinį koeficientą, μ – šios terpės magnetinį laidumą. Didžiajai daugumai kūnų galime dėti μ = 1, todėl taip ir paaiškėja

Paprastai lyginami stovinčių elektrinių bangų, kylančių to paties laido dalyse, esančiose ore ir tiriamajame dielektrike (skystyje), ilgiai. Nustačius šiuos ilgius λ 0 ir λ, gauname K = λ 0 2 / λ 2. Pagal Maksvelo teoriją, iš to seka, kad sužadinus elektrinį lauką bet kurioje izoliacinėje medžiagoje, šios medžiagos viduje atsiranda ypatingos deformacijos. Išilgai indukcinių vamzdžių izoliacinė terpė yra poliarizuota. Jame atsiranda elektriniai poslinkiai, kuriuos galima prilyginti teigiamos elektros judėjimui išilgai šių vamzdžių ašių, o per kiekvieną vamzdžio skerspjūvį praeina elektros kiekis, lygus

Maksvelo teorija leidžia rasti išraiškas toms vidinėms jėgoms (įtempimo ir slėgio jėgoms), kurios atsiranda dielektrikuose, kai juose sužadinamas elektrinis laukas. Šį klausimą pirmiausia svarstė pats Maxwellas, o vėliau išsamiau Helmholtzas. Tolesnis šio klausimo teorijos ir glaudžiai susijusios elektrostrikcijos teorijos (ty teorijos, kuri nagrinėja reiškinius, kurie priklauso nuo specialių įtampų atsiradimo dielektrikuose, kai juose sužadinamas elektrinis laukas) plėtojimas priklauso Lorbergo darbams. Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller ir kai kurie kiti

Pasienio sąlygos

Užbaikime trumpą svarbiausių elektrostrikcijos aspektų pristatymą apsvarstydami indukcinių vamzdžių lūžio klausimą. Įsivaizduokime du dielektrikus elektriniame lauke, atskirtus vienas nuo kito kokiu nors paviršiumi S, kurių dielektriniai koeficientai K 1 ir K 2.

Tegul taškuose P 1 ir P 2, esančiuose be galo arti paviršiaus S abiejose jo pusėse, potencialų dydžiai išreiškiami per V 1 ir V 2 , o jėgų, kurias patiria teigiamos elektros vienetas, dydžiai. šiuos taškus per F 1 ir F 2. Tada taške P, esančiame pačiame paviršiuje S, turi būti V 1 = V 2,

jei ds reiškia be galo mažą poslinkį išilgai paviršiaus S liestinės plokštumos susikirtimo linijos taške P su plokštuma, einančia per normalę į paviršių šiame taške ir per jame veikiančios elektrinės jėgos kryptį. Kita vertus, turėtų būti

Pažymime ε 2 jėgos F2 sudarytą kampą su normaliąja n2 (antrojo dielektriko viduje), o ε 1 kampą, kurį sudaro jėga F 1 su ta pačia normalia n 2 Tada, naudodami (31) formules ir (30), randame

Taigi paviršiuje, skiriančiame du dielektrikus vienas nuo kito, elektrinė jėga keičia savo kryptį, kaip šviesos spindulys, patenkantis iš vienos terpės į kitą. Ši teorijos pasekmė yra pateisinama patirtimi.

taip pat žr

Elektrostatinė iškrova

Literatūra

Landau, L. D., Lifshits, E. M. Lauko teorija. - 7-asis leidimas, pataisytas. - M.: Nauka, 1988. - 512 p. - („Teorinė fizika“, II tomas). - ISBN 5-02-014420-7
Matvejevas A. N. Elektra ir magnetizmas. M.: baigti mokyklą, 1983.
Tunelis M.-A. Elektromagnetizmo ir reliatyvumo teorijos pagrindai. Per. iš fr. M.: Užsienio literatūra, 1962. 488 p.
Borgmanas, „Elektros ir doktrinos pagrindai magnetiniai reiškiniai"(I tomas);
Maxwell, „Traktatas apie elektrą ir magnetizmą“ (I tomas);
Poincaré, „Electricité et Optique“;
Wiedemann, „Die Lehre von der Elektricität“ (t. I);

Nuorodos

Konstantinas Bogdanovas. Ką gali padaryti elektrostatika // Kvantinė. - M.: Bureau Quantum, 2010. - Nr.2.

Pastabos

Pagrindiniai skyriai