Bilindiği gibi, Karakteristik özellik iletkenler her zaman sahip oldukları çok sayıda mobil yük taşıyıcıları, yani serbest elektronlar veya iyonlar.

Bir iletkenin içinde bu yük taşıyıcıları genel olarak düzensiz hareket ederler. Bununla birlikte, iletkende bir elektrik alanı varsa, taşıyıcıların kaotik hareketi, hareket yönündeki sıralı hareketleriyle üst üste gelir. elektriksel kuvvetler. Bir alanın etkisi altındaki bir iletken içindeki hareketli yük taşıyıcılarının bu yönlendirilmiş hareketi, her zaman iletkenin içindeki alanın zayıflatılacağı şekilde gerçekleşir. Bir iletkendeki hareketli yük taşıyıcıların sayısı fazla olduğundan (metal yaklaşık olarak serbest elektron içerir), iletkenin içindeki alan tamamen yok olana kadar alanın etkisi altındaki hareketleri meydana gelir. Bunun nasıl olduğunu daha ayrıntılı olarak öğrenelim.

Birbirine sıkıca bastırılmış iki parçadan oluşan metal bir iletkenin harici bir elektrik alanına E yerleştirilmesine izin verin (Şekil 15.13). Açık serbest elektronlar Bu iletkende alan kuvvetleri sola, yani alan kuvveti vektörünün tersine etki eder. (Nedenini açıklayınız.) Bu kuvvetlerin etkisi altındaki elektronların yer değiştirmesi sonucunda iletkenin sağ ucunda pozitif yük fazlalığı, sol ucunda ise elektron fazlalığı ortaya çıkar. Bu nedenle, Şekil 2'de iletkenin uçları arasında bir iç alan (yer değiştiren yüklerin alanı) ortaya çıkar. 15.13 noktalı çizgilerle gösterilmiştir. İçeri

İletkende bu alan dışarıya doğru yönlendirilir ve iletkenin içinde kalan her serbest elektron sağa doğru bir kuvvetle etki eder.

Önce güç daha fazla güç ve sonuçları sola yönlendirilir. Bu nedenle iletkenin içindeki elektronlar sola doğru kaymaya devam eder ve iç alan giderek artar. İletkenin sol ucunda oldukça fazla miktarda serbest elektron biriktiğinde (hala oluşurlar) önemsiz bir pay onlardan toplam sayısı), kuvvet kuvvete eşit olacak ve sonuçları sıfıra eşit olacaktır. Bundan sonra iletkenin içinde kalan serbest elektronlar ancak düzensiz bir şekilde hareket edecektir. Bu, iletkenin içindeki alan kuvvetinin sıfır olduğu, yani iletkenin içindeki alanın kaybolduğu anlamına gelir.

Böylece, bir iletken bir elektrik alanına girdiğinde elektriklenir, böylece bir ucunda pozitif yük, diğer ucunda aynı büyüklükte negatif yük görünür. Bu elektrifikasyona elektrostatik indüksiyon veya etki yoluyla elektrifikasyon denir. Bu durumda yalnızca iletkenin kendi yüklerinin yeniden dağıtıldığını unutmayın. Dolayısıyla böyle bir iletken alandan uzaklaştırılırsa pozitif ve negatif yükleri yine iletkenin tüm hacmine eşit olarak dağılacak ve tüm parçaları elektriksel olarak nötr hale gelecektir.

Etkiyle elektriklenen bir iletkenin zıt uçlarında, aslında eşit miktarda zıt işaretli yüklerin bulunduğunu doğrulamak kolaydır. Bu iletkeni iki parçaya bölelim (Şekil 15.13) ve ardından sahadan çıkaralım. İletkenin her parçasını ayrı bir elektroskoba bağlayarak bunların yüklü olmasını sağlayacağız. (Bu ücretlerin geçerli olduğunu nasıl gösterebileceğinizi düşünün. zıt işaretler.) İki parçayı tek bir iletken oluşturacak şekilde yeniden bağlarsak, yüklerin nötralize edildiğini bulacağız. Bu, bağlantıdan önce iletkenin her iki kısmındaki yüklerin büyüklük bakımından eşit ve zıt işaretli olduğu anlamına gelir.

Etki nedeniyle iletkenin elektriklenme süresi o kadar kısadır ki iletken üzerindeki yük dengesi neredeyse anında oluşur. Bu durumda iletkenin içindeki gerilim ve dolayısıyla potansiyel fark her yerde olur. sıfıra eşit. O zaman iletkenin içindeki herhangi iki nokta için ilişki doğrudur

Sonuç olarak iletken üzerindeki yükler dengede olduğunda tüm noktalarının potansiyeli aynıdır. Bu aynı zamanda yüklü bir cisimle temas yoluyla elektriklenen bir iletken için de geçerlidir. İletken bir top alalım ve yüzeyindeki M noktasına bir yük yerleştirelim (Şekil 15.14). Daha sonra explorer'da Kısa bir zaman bir alan ortaya çıkar ve M noktasında bir aşırı yük meydana gelir. Bu alanın kuvvetlerinin etkisi altında

yük topun tüm yüzeyine eşit olarak dağıtılır, bu da iletken içindeki alanın kaybolmasına yol açar.

Yani iletken nasıl elektriklenirse elektriklensin, yükler dengede olduğunda iletkenin içinde alan yoktur ve iletkenin tüm noktalarının potansiyeli aynıdır (iletkenin hem içinde hem de yüzeyinde). Aynı zamanda, elektrikli iletkenin dışındaki alan da elbette mevcuttur ve gerilim çizgileri iletkenin yüzeyine normaldir (diktir). Bu şuradan görülebilir aşağıdaki mantık. Gerilim çizgisi iletkenin yüzeyine eğimli bir yerdeyse (Şekil 15.15), o zaman yüzeydeki bu noktada yüke etki eden kuvvet, daha sonra yüzey boyunca yönlendirilen bir kuvvetin etkisi altında bileşenlere ayrılabilir. yük dengesi olmaması gereken iletkenin yüzeyi boyunca hareket edecektir. Sonuç olarak iletken üzerindeki yükler dengede olduğunda yüzeyi eş potansiyel bir yüzeydir.

Yüklü bir iletkenin içinde alan yoksa kütle yoğunluğu içindeki yükler (birim hacim başına elektrik miktarı) her yerde sıfır olmalıdır.

Nitekim bir iletkenin küçük bir hacminde yük varsa, bu hacmin çevresinde de bir elektrik alanı mevcut olacaktır.

Alan teorisinde, denge durumunda, elektrikli bir iletkenin tüm fazla yükünün onun yüzeyinde yer aldığı kanıtlanmıştır. Bu şu anlama geliyor: hepsi iç kısım Bu iletken çıkarılabilir ve yüzeyindeki yüklerin dizilişinde hiçbir şey değişmeyecektir. Örneğin, biri katı, diğeri içi boş, eşit büyüklükte iki metal top eşit şekilde elektriklenirse, topların etrafındaki alanlar aynı olacaktır. Bunu deneysel olarak kanıtlayan ilk kişi M. Faraday oldu.

Yani içi boş bir iletken bir elektrik alanına yerleştirilirse veya yüklü bir cisimle temas ettirilerek elektriklendirilirse, o zaman

Yükler dengede olduğunda boşluğun içindeki alan mevcut olmayacaktır. Elektrostatik koruma buna dayanmaktadır. Herhangi bir cihaz metal bir kasaya yerleştirilirse, harici elektrik alanları kasanın içine girmeyecektir, yani böyle bir cihazın çalışması ve okumaları, harici elektrik alanlarının varlığına ve değişikliklerine bağlı olmayacaktır.

Şimdi ücretlerin nasıl sıralandığını bulalım. dış yüzey kondüktör. Kağıt yaprakların yapıştırıldığı iki yalıtım kulpunun üzerine metal bir ağ alalım (Şekil 15.16). Eğer ağı yükleyip sonra uzatırsanız (Şekil 15.16, a), ağın her iki tarafındaki yapraklar ayrılacaktır. Ağı bir halka şeklinde bükerseniz, yalnızca yapraklar dıştanızgaralar (Şekil 15.16, b). Ağa farklı bir kıvrım vererek, yüklerin yalnızca yüzeyin dışbükey tarafında ve yüzeyin daha kavisli olduğu yerlerde bulunmasını sağlayabilirsiniz ( daha küçük yarıçap eğrilik), daha fazla yük birikir.

Böylece yük yalnızca küresel iletkenin yüzeyine eşit olarak dağıtılır. Şu tarihte: serbest çalışma kondüktör yüzey yoğunluğu a yükleri vardır ve bu nedenle iletkenin yüzeyine yakın alan kuvveti, yüzeyin eğriliğinin daha büyük olduğu yerde daha büyüktür. Yük yoğunluğu özellikle iletkenin çıkıntılarında ve uçlarında yüksektir (Şekil 15.17). Bu, elektrikli iletkenin çeşitli noktalarına bir probla dokunularak ve ardından elektroskoba dokunularak doğrulanabilir. Noktaları olan veya bir noktayla donatılmış elektrikli bir iletken, yükünü hızla kaybeder. Bu nedenle yükün depolanması gereken iletken uzun zamandır, herhangi bir puanı olmamalıdır.

(Elektroskobun çubuğunun neden top şeklinde bittiğini düşünün.)

Elektrik alanı şu şekilde düşünülebilir: matematiksel model uzayda belirli bir noktada elektrik alan kuvvetinin değerini açıklayan. Douglas Giancoli şunları yazdı: “Alanın bir çeşit madde olmadığını vurgulamak gerekir; daha doğrusu son derece faydalı bir kavram... “Gerçeklik” ve elektrik alanının varlığı sorunu aslında felsefi, hatta metafizik bir sorudur. Fizikte alan kavramının son derece yararlı olduğu kanıtlanmıştır. en büyük başarılar insan zihni."

Elektrik alanı tek bir bileşenin bileşenlerinden biridir. elektromanyetik alan ve elektromanyetik etkileşimin tezahürü.

Elektrik alanının fiziksel özellikleri

Alan etkisi - Alan etkisi, elektriksel olarak iletken bir ortamın yüzeyine bir elektrik alanı uygulandığında, yüzeye yakın katmandaki konsantrasyonun değişmesidir. özgür medyaşarj. Bu etki, alan etkili transistörlerin çalışmasının temelini oluşturur.

Elektrik alanının ana etkisi, sabit (gözlemciye göre) elektrik yüklü cisimler veya parçacıklar üzerindeki kuvvet etkisidir. Yüklü bir cisim uzayda sabitse, kuvvetin etkisi altında hızlanmaz. Manyetik alan (Lorentz kuvvetinin ikinci bileşeni) aynı zamanda hareketli yüklere de bir kuvvet uygular.

Günlük hayatta elektrik alanını gözlemlemek

Televizyon alıcısı açıldığında veya kapatıldığında genellikle televizyon ekranının yakınında bir elektrik alanı oluşur. Bu alan el veya yüzdeki tüylere etkisi ile hissedilebilir.

Elektrik alanı bunlardan biridir. teorik kavramlar Yüklü cisimler arasındaki etkileşim olgusunu açıklamak. Maddeye dokunulamaz ama varlığı yüzlerce doğal deneyle kanıtlanabilir.

Yüklü cisimlerin etkileşimi

Modası geçmiş teorileri ütopya olarak görmeye alışkınız ama bilim adamları hiç de aptal değil. Bugün Franklin'in elektrik sıvısı doktrini kulağa komik geliyor; önde gelen fizikçi Apinus bir incelemenin tamamını ayırdı. Coulomb yasası deneysel olarak keşfedildi burulma terazileri Bilinenleri çıkarırken benzer yöntemler Georg Ohm tarafından da kullanıldı. Peki tüm bunların arkasında ne yatıyor?

Elektrik alanının Franklin sıvısından daha aşağı olmayan başka bir teori olduğunu kabul etmeliyiz. Bugün madde hakkında iki gerçek bilinmektedir:

Belirtilen gerçekler, doğadaki etkileşimlerin modern anlayışının temelini oluşturdu ve kısa mesafeli etkileşim teorisine destek görevi gördü. Buna ek olarak bilim adamları, gözlemlenen olgunun özüne ilişkin başka varsayımlar da öne sürdüler. Kısa menzilli eylem teorisi, eterin katılımı olmadan kuvvetlerin anlık dağılımını ima eder. Olguları algılamak elektrik alanından daha zor olduğundan, birçok filozof bu tür görüşleri idealist olarak adlandırmıştır. Ülkemizde başarıyla eleştirildiler Sovyet gücü Bolşevikler bildiğiniz gibi Tanrı'yı ​​​​beğenmedikleri için, "fikirlerimize ve eylemlerimize bağlı" bir şeyin varlığı fikrini her fırsatta gagaladılar (Juna'nın süper güçlerini incelerken).

Franklin, cisimlerin pozitif ve negatif yüklerini elektrik sıvısının fazlalığı ve yetersizliğiyle açıkladı.

Elektrik alan özellikleri

Elektrik alanı bir vektör miktarı - yoğunluk ile tanımlanır. Uzunluğu kuvvetin büyüklüğüyle orantılı olan, yönü birim pozitif yük üzerindeki bir noktaya etki eden kuvvetle çakışan bir ok. Fizikçiler potansiyeli kullanmayı uygun buluyorlar. Miktar skalerdir; sıcaklık örneğini kullanarak bunu hayal etmek daha kolaydır: uzaydaki her noktada belirli bir değer vardır. Elektrik potansiyeli, bir birim yükü sıfır potansiyel noktasından diğerine taşımak için yapılan işi ifade eder. bu nokta.

Yukarıdaki şekilde tanımlanan bir alana irrotasyonel denir. Bazen potansiyel denir. Elektrik alan potansiyeli fonksiyonu süreklidir ve uzayın genişliği boyunca düzgün bir şekilde değişir. Sonuç olarak yüzeyleri katlayan eşit potansiyele sahip noktaları seçiyoruz. Birim yük küresi için: daha fazla nesne, zayıf alan(Coulomb yasası). Yüzeylere eş potansiyel denir.

Maxwell denklemlerini anlamak için çeşitli özellikleri anlayın Vektör alanı:

• Gradyan elektrik potansiyeli vektör denir, yön, alan parametresinin en hızlı büyümesiyle çakışır. Değer ne kadar hızlı değişirse değer o kadar büyük olur. Gradyan yönlendirilir daha küçük değer daha fazlası için potansiyel:

1. Gradyan eşpotansiyel yüzeye diktir.
2. Eğim ne kadar büyük olursa, birbirinden farklı olan eş potansiyel yüzeylerin konumu o kadar yakın olur. belirlenmiş değer elektrik alan potansiyeli.
3. Ters işaretle alınan potansiyel gradyan, elektrik alan kuvvetidir.

Elektrik potansiyeli. Gradyan "yokuş yukarı tırmanma"

• Diverjans, elektrik alan şiddeti vektörü için hesaplanan skaler bir niceliktir. Gradyana benzer (vektörler için), bir değerin değişim hızını gösterir. Ek bir özelliğin tanıtılması ihtiyacı: vektör alanının gradyanı yoktur. Bu nedenle, açıklama belirli bir analog sapmayı gerektirir. Parametre girişi matematiksel gösterim bir degradeye benzer, gösterilir Yunan harfi nabla için kullanılan Vektör nicelikleri.
• Vektör alanının rotoruna girdap adı verilir. Fiziksel olarak parametre eşit şekilde değiştiğinde değer sıfırdır. Rotor sıfırdan farklı ise kapalı hat bükülmeleri meydana gelir. Tanım gereği, noktasal yüklerin potansiyel alanları bir girdaba sahip değildir. Bu durumda gerilim çizgilerinin mutlaka düz olması gerekmez. Girdap oluşturmadan kolayca değişirler. Sıfır olmayan rotorlu bir alana genellikle solenoidal denir. Eşanlamlısı sıklıkla kullanılır - girdap.
• Vektörün toplam akışı, elektrik alan kuvveti ile temel alanın çarpımının yüzey integrali ile temsil edilir. Vücudun kapasitansının sıfıra yaklaştığı andaki büyüklük sınırı, alanın sapmasını temsil eder. Limit kavramı son sınıflarda işleniyor lise Böylece öğrenci tartışılan konu hakkında fikir sahibi olabilir.

Maxwell denklemleri zamanla değişen bir elektrik alanını tanımlar ve bu gibi durumlarda bir dalganın ortaya çıktığını gösterir. Genel olarak formüllerden birinin izole edilmiş doğanın yokluğunu gösterdiği kabul edilir. manyetik yükler(kutuplar). Bazen literatürde özel bir operatöre rastlıyoruz: Laplacian. Alan gradyanının sapması ile temsil edilen, vektör büyüklükleri için hesaplanan, nabla'nın karesi olarak gösterilir.

Matematikçiler ve fizikçiler bu miktarları kullanarak elektrik ve manyetik alanları hesaplarlar. Örneğin, kanıtlanmıştır: yalnızca dönmeyen bir alan (nokta yükleri) skaler potansiyele sahip olabilir. Başka aksiyomlar icat edildi. Rotorun girdap alanı sapmadan yoksundur.

Bu tür aksiyomları, gerçek mevcut cihazlarda meydana gelen süreçleri tanımlamak için temel olarak kolaylıkla kullanabiliriz. Yerçekimine karşı, Sürekli hareketli makine ekonomiye iyi bir katkı olacaktır. Hiç kimse Einstein'ın teorisini uygulamaya koymayı başaramadıysa da Nikola Tesla'nın başarıları meraklılar tarafından inceleniyor. Rotor veya sapma yoktur.

Elektrik Alanının Gelişiminin Kısa Tarihi

Teorinin formülasyonunu, elektrik ve elektromanyetik alanların pratikte uygulanmasına ilişkin çok sayıda çalışma izledi; bunların en ünlüsü, Rusya'da Popov'un hava yoluyla bilgi aktarma deneyimi olarak kabul ediliyor. Bir takım sorular ortaya çıktı. Maxwell'in uyumlu teorisi, elektromanyetik dalgaların iyonize ortamdan geçişi sırasında gözlemlenen olayları açıklama konusunda güçsüzdür. Planck, ışınım enerjisinin daha sonra kuantum olarak adlandırılan, ölçülen kısımlar halinde yayıldığını varsaydı. Tek tek elektronların kırınımı, YouTube'da İngilizce olarak gösterilen şekilde 1949'da keşfedildi. Sovyet fizikçileri. Parçacık aynı anda dalga özellikleri sergiledi.

Bu bize şunları söylüyor: modern performans Elektrik alanı sabiti ve değişkeni ile ilgili bilgiler mükemmel olmaktan uzaktır. Pek çok kişi Einstein'ı tanıyor ama fizikçinin keşfettiğini açıklamakta aciz. 1915 görelilik teorisi elektriği birbirine bağlıyor, manyetik alan ve yerçekimi. Doğru, yasa biçiminde hiçbir formül sunulmadı. Bugün biliniyor: Işığın yayılmasından daha hızlı hareket eden parçacıklar var. Bahçede bir taş daha.

Birim sistemleri sürekli değişiyordu. Başlangıçta Gauss'un çalışmasına dayanan GHS uygun değildir. İlk harfler temel birimleri belirtir: santimetre, gram, saniye. Elektromanyetik miktarlar 1874'te Maxwell ve Thomson tarafından GHS'ye eklendi. SSCB 1948'de ISS'yi (metre, kilogram, saniye) kullanmaya başladı. 20. yüzyılın 60'lı yıllarında SI sisteminin (GOST 9867) kullanılmaya başlanması, elektrik alan kuvvetinin V/m cinsinden ölçüldüğü savaşlara son verdi.

Elektrik alanı kullanma

Kapasitörlerde birikim meydana gelir elektrik şarjı. Sonuç olarak plakalar arasında bir alan oluşur. Kapasitans doğrudan voltaj vektörünün büyüklüğüne bağlı olduğundan, parametreyi arttırmak için boşluk bir dielektrik ile doldurulur.

Dolaylı olarak elektrik alanları resim tüpleri ve Chizhevsky avizeleri tarafından kullanılır; ızgara potansiyeli elektron tüpü ışınlarının hareketini kontrol eder. Tutarlı bir teorinin olmamasına rağmen, birçok görüntünün temelinde elektrik alan etkileri yatmaktadır.

Uzayda bir yükün veya yüklü bir cismin etrafında bir elektrik alanı ortaya çıkar. Bu alanda herhangi bir yük elektrostatik Coulomb kuvvetinden etkilenir. Alan, maddeyi oluşturan makroskobik cisimler veya parçacıklar arasındaki kuvvet etkileşimlerini ileten bir madde biçimidir. Elektrostatik bir alanda yüklü cisimlerin kuvvet etkileşimi meydana gelir. Elektrostatik alan, sabit bir elektrik alanıdır ve sabit yükler tarafından oluşturulan elektrik alanının özel bir durumudur.

Elektrik alanı, uzaydaki her noktada iki özellik ile karakterize edilir: kuvvet - elektrik yoğunluğunun vektörü ve enerji - skaler bir miktar olan potansiyel. Elektrik alanının belirli bir noktasının kuvvetine vektör denir fiziksel miktar, sayısal olarak eşit ve söz konusu alan noktasına yerleştirilen birim pozitif yüke alandan etki eden kuvvetle aynı yöndedir:

Elektrik alan çizgisi, her noktadaki teğetleri, elektrik alanın karşılık gelen noktalarının yoğunluk vektörlerinin yönlerini belirleyen bir çizgidir. Bu çizgilere dik bir birim alandan geçen alan çizgilerinin sayısı sayısal olarak bu alanın merkezindeki elektrik alan şiddeti vektörünün büyüklüğüne eşittir. Gerilme hatları elektrostatik alan Pozitif bir yük ile başlayıp bu yükün oluşturduğu alan için sonsuza kadar gidin. Oluşturulan alan için negatif yük, Güç hatlarışarj etmek için sonsuzluktan geliyoruz.

Belirli bir noktadaki elektrostatik alan potansiyeline denir skaler miktar, sayısal olarak eşit potansiyel enerji Bekar pozitif yük, belirli bir alan noktasına yerleştirilmiş:

Bir nokta elektrik yükünü hareket ettirirken elektrostatik alan kuvvetlerinin yaptığı iş, bu yükün çarpımına ve yolun başlangıç ​​ve bitiş noktaları arasındaki potansiyel farka eşittir:

başlangıç ​​ve potansiyellerin potansiyelleri nerede ve nelerdir? bitiş noktaları Bir yükü hareket ettirirken alanlar.

Gerilim, elektrostatik alanın potansiyeli ile aşağıdaki ilişkiyle ilişkilidir:

Potansiyel gradyanı, eşit potansiyele sahip bir yüzeye dik bir yönde hareket ederken potansiyeldeki en hızlı değişimin yönünü gösterir.

Alan kuvveti sayısal olarak birim uzunluk başına potansiyeldeki değişime eşittir , eşit potansiyelin yüzeyine dik yönde ölçülür ve azalma yönünde yönlendirilir (eksi işareti):

Geometrik konum Elektrik alanının potansiyelleri aynı olan noktalarına eşpotansiyel yüzey veya eşit potansiyele sahip yüzey denir. Elektrik alanının her noktasının yoğunluk vektörü, bu noktadan çizilen eşpotansiyel yüzeye normaldir. İncirde. Şekil 1, pozitif bir etkinin oluşturduğu elektrik alanını grafiksel olarak göstermektedir. puan ücreti ve negatif yüklü bir düzlem R.

Kesintisiz çizgiler eş potansiyel yüzeyler potansiyeller vb. ile noktalı çizgiler alan çizgileridir, yönleri bir okla gösterilir.