Elektrostatik fizikte temel formüller. III

Ansiklopedik YouTube

1 / 5
Elektrostatiğin temeli Coulomb'un çalışmasıyla atıldı (her ne kadar ondan on yıl önce aynı sonuçlar, hatta daha büyük bir doğrulukla Cavendish tarafından elde edilmiş olsa da. Cavendish'in çalışmasının sonuçları, Coulomb'da saklandı). aile arşivi ve yalnızca yüz yıl sonra yayınlandı); son bulunan yasa elektriksel etkileşimler Green, Gauss ve Poisson'un matematiksel açıdan zarif bir teori oluşturmasını sağladı. Elektrostatiğin en önemli kısmı Green ve Gauss tarafından oluşturulan potansiyel teorisidir. Geçmişte kitapları bu olayların incelenmesinde ana kılavuzu oluşturan Rees tarafından elektrostatik üzerine birçok deneysel araştırma yürütüldü.

geçirgenlik

Elektrostatikte uğraşılması gereken hemen hemen tüm formüllerde yer alan bir katsayı olan herhangi bir maddenin dielektrik katsayısı K'nın değerini bulmak oldukça yapılabilir. çeşitli şekillerde. En sık kullanılan yöntemler şunlardır.
1) İki kapasitörün elektriksel kapasitelerinin karşılaştırılması aynı boyutlar ve şekli vardır, ancak birinde yalıtım katmanı bir hava katmanıdır, diğerinde ise test edilen dielektrik katmanıdır.
2) Bir kapasitörün yüzeyleri arasındaki çekimlerin karşılaştırılması, bu yüzeylere belirli bir potansiyel fark uygulandığında, ancak bir durumda aralarında hava olduğunda (çekim kuvveti = F 0), diğer durumda test sıvısı yalıtkanı ( çekici kuvvet = F). Dielektrik katsayısı aşağıdaki formülle bulunur:
K = F 0 F .
(\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F))).)
3) Teller boyunca yayılan elektrik dalgalarının (bkz. Elektriksel salınımlar) gözlemlenmesi. Maxwell'in teorisine göre elektrik dalgalarının teller boyunca yayılma hızı aşağıdaki formülle ifade edilir:
V = 1 K μ .
(\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu))).)
Genellikle, aynı telin havada ve test dielektrikinde (sıvı) bulunan kısımlarında ortaya çıkan duran elektrik dalgalarının uzunlukları karşılaştırılır. Bu uzunlukları λ 0 ve λ belirledikten sonra K = λ 0 2 / λ 2 elde ederiz. Maxwell teorisine göre, uyarıldığında şu şekilde olur: elektrik alanı Herhangi bir yalıtkan maddede, o maddenin içinde özel deformasyonlar meydana gelir. İndüksiyon tüpleri boyunca yalıtım ortamı polarize edilmiştir. Ortaya çıkar elektriksel yer değiştirmeler pozitif elektriğin bu tüplerin eksenleri yönünde ve her birinden geçen hareketlerine benzetilebilecek enine kesit tüpten geçen elektrik miktarı eşittir
D = 1 4 π K F .
(\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.) Maxwell'in teorisi bunlar için ifadeler bulmayı mümkün kılıyor iç kuvvetler (gerilme ve basınç kuvvetleri), içlerinde bir elektrik alanı uyarıldığında dielektriklerde ortaya çıkar. Bu soru ilk olarak Maxwell tarafından ele alındı, daha sonra Helmholtz tarafından daha ayrıntılı olarak ele alındı. Daha fazla gelişme

Bu konunun teorisi ve yakından bağlantılı elektrostriksiyon teorisi (yani, içlerinde bir elektrik alanı uyarıldığında dielektriklerde özel voltajların oluşmasına bağlı olan olayları dikkate alan teori) Lorberg, Kirchhoff, P'nin çalışmalarına aittir. Duhem, N. N. Schiller ve diğerleri.

Sınır koşulları Haydi bitirelimözet
Elektrostriksiyon bölümünün en önemli kısmı indüksiyon tüplerinin kırılması sorununun dikkate alınmasıdır. Bir elektrik alanında birbirinden bir S yüzeyi ile ayrılmış, dielektrik katsayıları K 1 ve K 2 olan iki dielektrik hayal edelim.
S yüzeyine sonsuz derecede yakın konumlanmış P 1 ve P 2 noktalarında, potansiyellerin büyüklükleri V 1 ve V 2 aracılığıyla ifade edilsin ve bu noktalara yerleştirilen pozitif elektrik biriminin maruz kaldığı kuvvetlerin büyüklükleri bu noktalar F 1 ve F 2 aracılığıyla. O halde S yüzeyi üzerinde bulunan bir P noktası için V 1 = V 2 olmalıdır,
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds))),\qquad (30))
ds, P noktasında S yüzeyine teğet düzlemin bu noktada yüzeye normalden geçen ve içindeki elektrik kuvvetinin yönü boyunca kesiştiği çizgi boyunca sonsuz küçük bir yer değiştirmeyi temsil ediyorsa. Öte yandan olması gereken
F2 kuvvetinin normal n2 ile (ikinci dielektrik içinde) yaptığı açıyı ε 2 ile ve F1 kuvvetinin aynı normal n 2 ile yaptığı açıyı ε 1 ile gösterelim. (30), buluyoruz
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))))) Yani iki dielektrik malzemeyi birbirinden ayıran yüzeyde, elektrik kuvveti yönünde bir değişikliğe uğrarışık huzmesi
bir ortamdan diğerine girme. Teorinin bu sonucu deneyimle doğrulanmıştır.
Dinamiğin temel yasaları. Newton yasaları - birinci, ikinci, üçüncü. Galileo'nun görelilik ilkesi. Evrensel çekim yasası. Yer çekimi. Elastik kuvvetler. Ağırlık. Sürtünme kuvvetleri - sıvılarda ve gazlarda dinlenme, kayma, yuvarlanma + sürtünme.
Kinematik. Temel kavramlar. Düzgün düz hareket. Düzgün hızlandırılmış hareket. Bir daire içinde düzgün hareket. Referans sistemi. Yörünge, yer değiştirme, yol, hareket denklemi, hız, ivme, doğrusal ve açısal hız arasındaki ilişki.
Basit mekanizmalar. Kol (birinci türden kol ve ikinci türden kol). Blok (sabit blok ve hareketli blok). Eğik düzlem. Hidrolik pres. Mekaniğin altın kuralı
Mekanikte korunum yasaları. Mekanik iş, güç, enerji, momentumun korunumu kanunu, enerjinin korunumu kanunu, katıların dengesi
Dairesel hareket. Bir daire içinde hareket denklemi. Açısal hız. Normal = merkezcil ivme. Dönem, dolaşım sıklığı (dönme). Doğrusal ve açısal hız arasındaki ilişki
Mekanik titreşimler. Serbest ve zorlanmış titreşimler. Harmonik titreşimler. Elastik titreşimler. Matematiksel sarkaç. Harmonik salınımlar sırasında enerji dönüşümleri
Mekanik dalgalar. Hız ve dalga boyu. Yürüyen dalga denklemi. Dalga olayları (kırınım, girişim...)
Akışkanlar mekaniği ve aeromekanik. Basınç, hidrostatik basınç. Pascal yasası. Hidrostatiğin temel denklemi. İletişim kuran gemiler. Arşimet yasası. Yelken koşulları tel. Sıvı akışı. Bernoulli yasası. Torricelli formülü
Dalga optiği. Işığın parçacık-dalga teorisi. Işığın dalga özellikleri. Işığın dağılımı. Işık girişimi. Huygens-Fresnel ilkesi. Işığın kırınımı. Işığın polarizasyonu
Termodinamik. İç enerji. İş. Isı miktarı. Termal olaylar. Termodinamiğin birinci yasası. Termodinamiğin birinci yasasının çeşitli işlemlere uygulanması. Isıl denge denklemi. Termodinamiğin ikinci yasası. Isı motorları
Şu anda buradasınız: Elektrostatik. Temel kavramlar. Elektrik yükü. Elektrik yükünün korunumu kanunu. Coulomb yasası. Süperpozisyon ilkesi. Kısa menzilli eylem teorisi. Elektrik alan potansiyeli. Kapasitör.
Sabit elektrik akımı. Bir devrenin bir bölümü için Ohm yasası. DC işlemi ve güç. Joule-Lenz yasası. Tam bir devre için Ohm kanunu. Faraday'ın elektroliz yasası. Elektrik devreleri - seri ve paralel bağlantı. Kirchhoff'un kuralları.
Elektromanyetik titreşimler. Serbest ve zorlanmış elektromanyetik salınımlar. Salınım devresi. Alternatif elektrik akımı. Alternatif akım devresindeki kapasitör. Alternatif akım devresindeki bir indüktör (“solenoid”).
Görelilik teorisinin unsurları. Görelilik teorisinin önermeleri. Eşzamanlılığın göreliliği, mesafeler, zaman aralıkları. Hızların eklenmesinin göreceli kanunu. Kütlenin hıza bağımlılığı. Görelilik dinamiğinin temel yasası...
Doğrudan ve dolaylı ölçüm hataları. Mutlak, göreceli hata. Sistematik ve rastgele hatalar. Standart sapma (hata). Çeşitli fonksiyonların dolaylı ölçüm hatalarını belirleme tablosu.

Daha fazlası Antik Yunanistan Kürkle ovulan kehribarın küçük parçacıkları (toz ve kırıntılar) çekmeye başladığı fark edildi. Uzun zamandır(18. yüzyılın ortalarına kadar) ciddi bir gerekçe ortaya koyamadı bu fenomen. Ancak 1785'te Coulomb, yüklü parçacıkların etkileşimini gözlemleyerek etkileşimlerinin temel yasasını çıkardı. Yaklaşık yarım yüzyıl sonra Faraday, elektrik akımlarının ve manyetik alanların eylemini inceleyip sistematize etti ve otuz yıl sonra Maxwell teoriyi kanıtladı. elektromanyetik alan.

Elektrik yükü

İlk kez “elektrik” ve “elektrifikasyon” terimlerinin türevleri olarak Latince kelime“Electri” - kehribar, 1600 yılında İngiliz bilim adamı W. Gilbert tarafından, kehribarın kürkle veya camın deriyle sürtülmesiyle ortaya çıkan fenomeni açıklamak için tanıtıldı. Böylece, sahip olan bedenler elektriksel özellikler elektrik yüklü olarak adlandırılmaya başlandı, yani onlara bir elektrik yükü aktarıldı.

Yukarıdakilerden, elektrik yükünün vücudun olası katılım derecesini gösteren niceliksel bir özellik olduğu anlaşılmaktadır. elektromanyetik etkileşim. Yük q veya Q olarak tanımlanır ve Coulomb (C) kapasitesine sahiptir.

Çok sayıda deney sonucunda temel özellikler elde edildi elektrik ücretleri:

Geleneksel olarak pozitif ve negatif olarak adlandırılan iki tür yük vardır;
elektrik yükleri bir vücuttan diğerine aktarılabilir;
Aynı isimdeki elektrik yükleri birbirini iter, aynı isimdeki elektrik yükleri ise birbirini çeker.

Ek olarak, yükün korunumu yasası oluşturuldu: cebirsel toplam Kapalı (izole) bir sistemdeki elektrik yükleri sabit kalır

1749 yılında Amerikalı mucit Benjamin Franklin, elektriğin yüklü bir sıvı olduğunu, eksikliğini negatif elektrik, fazlasını ise pozitif elektrik olarak tanımladığı bir elektrik olgusu teorisi ortaya attı. Elektrik mühendisliğinin ünlü paradoksu bu şekilde ortaya çıktı: B. Franklin'in teorisine göre elektrik, pozitif kutuptan negatif kutba doğru akar.

Buna göre modern teori Maddelerin yapısında tüm maddeler moleküllerden ve atomlardan oluşur ve bunlar da bir atomun çekirdeği ve onun etrafında dönen “e” elektronlarından oluşur. Çekirdek homojen değildir ve sırasıyla “p” protonları ve “n” nötronlarından oluşur. Dahası, elektronlar negatif yüklü parçacıklardır ve protonlar pozitif yüklüdür. Elektronlar ile bir atomun çekirdeği arasındaki mesafe, parçacıkların boyutunu önemli ölçüde aştığı için, elektronlar atomdan ayrılabilir ve böylece elektrik yüklerinin cisimler arasında hareketine neden olur.

Yukarıda açıklanan özelliklere ek olarak, bir elektrik yükü bölünme özelliğine sahiptir, ancak bölünemeyen mümkün olan minimum yükün değeri şuna eşittir: mutlak değer elektron yükü (1,6 * 10 -19 C), aynı zamanda denir temel yük. Günümüzde kuark adı verilen elektrik yükü temel parçacıktan daha düşük olan parçacıkların varlığı kanıtlanmıştır, ancak bunların ömürleri önemsizdir ve serbest halde tespit edilememiştir.

Coulomb yasası. Süperpozisyon ilkesi

Sabit elektrik yüklerinin etkileşimi, çok sayıda deneye dayanarak türetilen Coulomb yasasına dayanan, elektrostatik adı verilen bir fizik dalı tarafından incelenir. Bu yasa ve elektrik yükü birimine de adı verildi Fransız fizikçi Charles Coulon.

Coulomb, deneyleri aracılığıyla iki küçük elektrik yükü arasındaki etkileşim kuvvetinin aşağıdaki kurallara uyduğunu buldu:

kuvvet, her yükün büyüklüğüyle orantılıdır;
kuvvet, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır;
kuvvetin yönü, yükleri birleştiren düz çizgi boyunca yönlendirilir;
kuvvet, cisimler zıt yüklüyse çekimdir, benzer yükler varsa itmedir.

Böylece Coulomb yasası aşağıdaki formülle ifade edilir

burada q1, q2 – elektrik yüklerinin büyüklüğü,

r iki yük arasındaki mesafedir,

k, k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2)'ye eşit olan orantı katsayısıdır; burada ε 0, elektriksel sabittir, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 /( N*m2).

Daha önce elektrik sabiti ε0'a dielektrik sabiti veya dielektrik sabiti vakum.

Coulomb yasası, yalnızca iki yük etkileşime girdiğinde değil, aynı zamanda birden fazla yükün bulunduğu sistemlerin daha yaygın olduğu durumlarda da kendini gösterir. Bu durumda Coulomb yasası, "süperpozisyon ilkesi" veya süperpozisyon ilkesi adı verilen başka bir önemli faktörle desteklenir.

Süperpozisyon ilkesi iki kurala dayanmaktadır:

Çeşitli kuvvetlerin yüklü bir parçacık üzerindeki etkisi, bu kuvvetlerin etkilerinin vektör toplamıdır;
herhangi karmaşık hareket birkaç basit hareketten oluşur.

Bana göre süperpozisyon ilkesi grafiksel olarak tasvir edilmesi en kolay olanıdır.

Şekil üç yükü göstermektedir: -q 1, +q 2, +q 3. -q 1 yüküne etki eden F toplam kuvvetini hesaplamak için, Coulomb yasasına göre -q 1, +q 2 ve -q 1, +q arasındaki F1 ve F2 kuvvetlerinin etkileşimini hesaplamak gerekir. 3. Daha sonra ortaya çıkan kuvvetleri vektör toplama kuralına göre ekleyin. İÇİNDE bu durumda F genellikle aşağıdaki ifade kullanılarak paralelkenarın köşegeni olarak hesaplanır.

burada α, F1 ve F2 vektörleri arasındaki açıdır.

Elektrik alanı. Elektrik alan kuvveti

Yükler arasındaki herhangi bir etkileşime de denir Coulomb etkileşimi(adını Coulomb yasasından alır) yardımıyla oluşur elektrostatik alan zamanla değişmeyen bir elektrik alanı olan sabit masraflar. Elektrik alanı elektromanyetik alanın bir parçasıdır ve elektrik yükleri veya yüklü cisimler tarafından oluşturulur. Elektrik alanı, hareket halinde veya hareketsiz olmalarına bakılmaksızın yükleri ve yüklü cisimleri etkiler.

Bir tanesi temel kavramlar Elektrik alanı, elektrik alanındaki bir yüke etki eden kuvvetin, bu yükün büyüklüğüne oranı olarak tanımlanan yoğunluğudur. Açıklama için bu kavram“test ücreti” diye bir kavramın devreye sokulması gerekiyor.

"Test yükü", bir elektrik alanının oluşumuna katılmayan ve aynı zamanda çok küçük bir değere sahip olan ve bu nedenle varlığı nedeniyle uzayda yüklerin yeniden dağılımına neden olmayan, dolayısıyla elektrik alanını bozmayan bir yüktür. elektrik yükleri tarafından yaratılmıştır.

Dolayısıyla, q yükünden belirli bir mesafede bulunan bir noktaya bir "test yükü" q 0 gönderirseniz, o zaman q yükünün varlığı nedeniyle "test yükü" q P üzerinde belirli bir F kuvveti etki edecektir. Coulomb yasasına göre test yüküne etki eden F 0 kuvvetinin “test yükü” değerine oranına elektrik alan kuvveti denir. Elektrik alan kuvveti E olarak belirlenmiştir ve N/C kapasitesine sahiptir.

Elektrostatik alan potansiyeli. Potansiyel fark

Bildiğiniz gibi, eğer bir cisme herhangi bir kuvvet etki ediyorsa, o zaman böyle bir cisim belli miktarda iş yapar. Sonuç olarak, bir elektrik alanına yerleştirilen yük de iş yapacaktır. Bir elektrik alanında, bir yükün yaptığı iş, hareketin yörüngesine bağlı değildir; yalnızca parçacığın hareketin başında ve sonunda işgal ettiği konumla belirlenir. Fizikte elektrik alanına benzer alanlara (işin cismin yörüngesine bağlı olmadığı) potansiyel adı verilir.

Vücudun yaptığı iş aşağıdaki ifadeyle belirlenir

burada F, cisme etki etmeyen kuvvettir,

S, F kuvvetinin etkisi altında vücudun kat ettiği mesafedir,

α, cismin hareket yönü ile F kuvvetinin etki yönü arasındaki açıdır.

Daha sonra q 0 yükünün yarattığı elektrik alanında “test yükünün” yaptığı iş Coulomb yasasından belirlenecektir.

burada q P bir “test yükü”dür,

q 0 – elektrik alanı oluşturan yük,

r1 ve r2 - sırasıyla "test yükünün" başlangıç ve son konumlarında q П ve q 0 arasındaki mesafe.

Yapılan iş potansiyel enerjideki (WP) bir değişiklikle ilişkili olduğundan, o zaman

Ve hareket yörüngesinin her bir spesifik noktasındaki "test yükünün" potansiyel enerjisi aşağıdaki ifadeyle belirlenecektir.

İfadeden görülebileceği gibi, “test yükü” q p değerindeki bir değişiklikle, potansiyel enerjinin değeri W P, q p ile orantılı olarak değişecektir, bu nedenle, elektrik alanını karakterize etmek için, başka bir parametre olarak adlandırılan başka bir parametre eklenmiştir. elektrik alan potansiyeli φ, enerji özellikleri ve aşağıdaki ifadeyle tanımlanır

burada k, k = 1/(4πε 0) = 9 * 10 9 C 2 /(N*m 2)'ye eşit orantı katsayısıdır; burada ε 0, elektrik sabitidir, ε 0 = 8,85 * 10 -12 C 2 / (N*m2).

Dolayısıyla elektrostatik alan potansiyeli, yüke yerleştirilen bir yükün sahip olduğu potansiyel enerjiyi karakterize eden bir enerji özelliğidir. bu nokta elektrostatik alan.

Yukarıdakilerden, bir yükü bir noktadan diğerine hareket ettirirken yapılan işin aşağıdaki ifadeden belirlenebileceği sonucuna varabiliriz.

Yani, bir yükü bir noktadan diğerine hareket ettirirken elektrostatik alan kuvvetlerinin yaptığı iş, yükün ve başlangıçtaki ve potansiyel farkının çarpımına eşittir. bitiş noktaları Yörüngeler.

Hesaplamalar yaparken, elektrik alanının noktaları arasındaki potansiyel farkı bilmek en uygunudur. belirli değerler belirli noktalardaki potansiyeller, dolayısıyla alandaki herhangi bir noktanın potansiyelinden bahsederken, alanın belirli bir noktası ile potansiyeli sıfıra eşit olduğu kabul edilen başka bir nokta arasındaki potansiyel farkı kastediyoruz.

Potansiyel fark aşağıdaki ifadeden belirlenir ve Volt (V) boyutuna sahiptir.

Bir sonraki makalede okumaya devam edin

Teori iyi ama yok pratik uygulama bunlar sadece kelimeler.

... Elektrostatiğin tüm tahminleri onun iki yasasından kaynaklanır.
Ancak bunları matematiksel olarak ifade etmek başka şey,
bunları kolaylıkla ve doğru miktarda zekayla uygulayın.
Richard Feynman

Elektrostatik, sabit yüklerin etkileşimini inceler. Elektrostatikteki önemli deneyler 17. ve 18. yüzyıllarda yapıldı. Mutlu açılış elektromanyetik olaylar ve ürettikleri teknoloji devrimi nedeniyle elektrostatiğe olan ilgi bir süreliğine kaybolmuştur. Ancak çağdaş bilimsel araştırma göstermek büyük önem Canlı ve cansız doğanın birçok sürecini anlamak için elektrostatik.

Elektrostatik ve yaşam

1953'te Amerikalı bilim adamları S. Miller ve G. Urey, "yaşamın yapı taşlarından" biri olan amino asitlerin, bileşim olarak Dünya'nın ilkel atmosferine benzer bir gazdan elektrik deşarjının geçirilmesiyle elde edilebileceğini gösterdi. metan, amonyak, hidrojen ve su buharı. Sonraki 50 yıl boyunca diğer araştırmacılar bu deneyleri tekrarladılar ve aynı sonuçları elde ettiler. Bakterilerden kısa akım darbeleri geçtiğinde, kabuklarında (zarlarında) gözenekler belirir, bu gözeneklerden diğer bakterilerin DNA parçaları geçebilir ve evrim mekanizmalarından birini tetikler. Dolayısıyla Dünya'daki yaşamın kökeni ve evrimi için gerekli olan enerji, gerçekten de yıldırım deşarjlarının elektrostatik enerjisi olabilir (Şekil 1).

Elektrostatik yıldırıma nasıl sebep olur?

Zamanın her anında farklı noktalar Dünya üzerinde yaklaşık 2000 yıldırım çakıyor, her saniyede yaklaşık 50 yıldırım Dünya'ya çarpıyor, her biri kilometrekare Dünya yüzeyine yılda ortalama altı kez yıldırım çarpmaktadır. 18. yüzyılda Benjamin Franklin, gökgürültülü bulutlardan gelen yıldırımların elektrik deşarjları olduğunu kanıtladı. negatifşarj. Dahası, deşarjların her biri Dünya'ya onlarca coulomb elektrik sağlar ve bir yıldırım çarpması sırasında akımın genliği 20 ila 100 kiloamper arasında değişir. Yüksek hızlı fotoğraf, bir yıldırım çarpmasının saniyenin yalnızca onda biri kadar sürdüğünü ve her bir yıldırımın birkaç kısa yıldırımdan oluştuğunu gösterdi.

20. yüzyılın başında atmosferik sondalara takılan ölçüm cihazları kullanılarak, Dünya'nın elektrik alanı ölçüldü; yüzeydeki yoğunluğunun yaklaşık 100 V/m olduğu ortaya çıktı; bu, gezegenin toplam yüküne karşılık geliyor. yaklaşık 400.000 C. Dünya atmosferindeki yüklerin taşıyıcısı, konsantrasyonu rakımla artan ve etkisi altında olan 50 km yükseklikte maksimuma ulaşan iyonlardır. kozmik radyasyon Elektriksel olarak iletken bir katman - iyonosfer - oluştu. Bu nedenle, Dünya'nın elektrik alanının, uygulanan voltajın yaklaşık 400 kV olduğu küresel bir kapasitörün alanı olduğunu söyleyebiliriz. Bu voltajın etkisi altında üst katmanlar yoğunluğu (1–2) 10 –12 A/m2 olan alt olanlara her zaman 2–4 kA'lık bir akım akar ve 1,5 GW'a kadar enerji açığa çıkar. Ve eğer yıldırım olmasaydı bu elektrik alanı kaybolurdu! Öyle görünüyor ki güzel hava Dünyanın elektrik kondansatörü boşalır ve fırtına sırasında şarj olur.

Bir fırtına bulutu büyük miktar buharın bir kısmı küçük damlacıklar veya buz parçaları şeklinde yoğunlaşmıştır. Fırtına bulutunun tepesi 6-7 km yükseklikte olabilir ve alt kısmı 0,5-1 km yükseklikte yerden sarkabilir. 3-4 km'nin üzerinde bulutlar buz kütlelerinden oluşur farklı boyutlarçünkü sıcaklık her zaman sıfırın altındadır. Bu buz parçaları sürekli hareket Dünyanın ısıtılmış yüzeyinden aşağıdan yükselen sıcak hava akımlarının neden olduğu. Küçük buz parçaları büyük olanlardan daha hafiftir ve yükselen hava akımları tarafından sürüklenip yol boyunca büyük buz parçalarıyla çarpışır. Bu tür her çarpışmada, büyük buz parçalarının negatif olarak ve küçük buz parçalarının pozitif olarak yüklendiği elektrifikasyon meydana gelir. Zamanla, pozitif yüklü küçük buz parçaları esas olarak bulutun üst kısmında, negatif yüklü büyük buz parçaları ise altta toplanır (Şekil 2). Başka bir deyişle, bulutun üst kısmı pozitif, alt kısmı ise negatif olarak yüklenir. Aynı zamanda hemen aşağıda yerde fırtına bulutu yönlendiriliyor pozitif yükler. Havanın parçalanmasının meydana geldiği yıldırım deşarjı için artık her şey hazır ve negatif yük fırtına bulutunun dibinden Dünya'ya akar.

Fırtınadan önce Dünya'nın elektrik alanının gücünün 100 kV/m'ye, yani iyi havadaki değerinden 1000 kat daha yüksek bir değere ulaşması tipiktir. Bunun sonucunda aynı miktardaki kişinin kafasındaki her saçın pozitif yükü artar. fırtına bulutu ve birbirlerinden uzaklaşarak dik dururlar (Şekil 3).

Fulgurite - yerdeki yıldırım izi

Yıldırım düşmesi sırasında 10 9 –10 10 J mertebesinde enerji açığa çıkar. En Bu enerji gök gürültüsüne, havayı ısıtmaya, ışığın yanıp sönmesine ve diğerlerinin yayılmasına harcanır. elektromanyetik dalgalar ve yıldırımın yere girdiği yerde sadece küçük bir kısmı serbest kalır. Ancak bu “küçük” kısım bile yangın çıkarmak, bir insanı öldürmek veya bir binayı yıkmak için yeterlidir. Yıldırım, içinden geçtiği kanalı, kumun erime noktasından (1600–2000°C) çok daha yüksek olan 30.000°C'ye kadar ısıtabilir. Bu nedenle kuma çarpan yıldırım onu eritir ve sıcak hava ve su buharı genişleyerek erimiş kumdan bir süre sonra sertleşen bir tüp oluşturur. Fulguritler (gök gürültüsü okları, şeytanın parmakları) bu şekilde doğar - erimiş kumdan yapılmış içi boş silindirler (Şekil 4). Kazılan en uzun fulguritler yeraltına beş metreden fazla derinliğe indi.

Elektrostatik yıldırıma karşı nasıl koruma sağlar?

Neyse ki yıldırım çarpmalarının çoğu bulutlar arasında meydana gelir ve bu nedenle insan sağlığına tehdit oluşturmaz. Ancak yıldırımın dünya çapında her yıl binden fazla insanı öldürdüğü düşünülüyor. En azından bu tür istatistiklerin tutulduğu ABD'de her yıl yaklaşık bin kişi yıldırım düşmesine maruz kalıyor ve yüzden fazlası ölüyor. Bilim insanları uzun zamandır insanları bu “Allah’ın cezasından” korumaya çalışıyorlar. Örneğin ilk elektrik kondansatörünün (Leyden kavanozu) mucidi Pieter van Muschenbrouck, ünlü Fransız Ansiklopedisi için yazdığı elektrik konulu makalesinde, oldukça etkili olduğuna inandığı yıldırım çalmayı ve zil sesini engellemeye yönelik geleneksel yöntemleri savundu. .

1750 yılında Franklin paratoneri icat etti. Maryland başkent binasını yıldırım çarpmasından korumak amacıyla binaya, kubbeden birkaç metre yukarıya uzanan ve yere bağlanan kalın bir demir çubuk iliştirdi. Bilim adamı, buluşunun mümkün olan en kısa sürede insanlara hizmet etmeye başlamasını isteyerek patent almayı reddetti. Yüklü bir iletkenin yüzeyine yakın elektrik alan kuvvetinin, bu yüzeyin eğriliği arttıkça arttığını hatırlarsak, paratonerin etki mekanizmasını açıklamak kolaydır. Bu nedenle paratoner ucunun yakınındaki bir fırtına bulutu altında, alan şiddeti o kadar yüksek olacaktır ki, çevredeki havanın iyonlaşmasına ve içinde bir korona deşarjına neden olacaktır. Bunun sonucunda paratonere yıldırım çarpma ihtimali ciddi oranda artacaktır. Böylece elektrostatik bilgisi yalnızca yıldırımın kökenini açıklamayı değil, aynı zamanda yıldırımdan korunmanın bir yolunu bulmayı da mümkün kıldı.

Franklin'in paratoner haberi hızla Avrupa'ya yayıldı ve kendisi, Rusya dahil tüm akademilere seçildi. Ancak bazı ülkelerde dindar nüfus bu buluşu öfkeyle karşıladı. Bir kişinin Tanrı'nın gazabının ana silahını bu kadar kolay ve basit bir şekilde evcilleştirebileceği fikri küfür gibi görünüyordu. Bu nedenle farklı yerlerde insanlar dini nedenlerle paratonerleri kırdılar.

1780 yılında Fransa'nın kuzeyindeki küçük bir kasabada, kasaba halkının demir paratoner direğinin yıkılmasını talep ettiği ve davanın yargılandığı ilginç bir olay meydana geldi. Paratoneri gericilerin saldırılarına karşı savunan genç avukat, savunmasını hem insan aklının hem de onun doğa güçlerini fethetme yeteneğinin ilahi kökenli olduğu gerçeğine dayandırdı. Genç avukat, hayat kurtarmaya yardımcı olan her şeyin iyilik için olduğunu savundu. Davayı kazandı ve büyük bir üne kavuştu. Avukatın adı... Maximilian Robespierre'ydi.

Artık paratoner mucidinin portresi dünyadaki en çok arzu edilen röprodüksiyondur çünkü o, meşhur yüz dolarlık banknotu süslüyor.

Hayatı geri getiren elektrostatik

Kapasitör deşarjından elde edilen enerji, yalnızca Dünya'da yaşamın ortaya çıkmasına yol açmakla kalmadı, aynı zamanda kalp hücreleri eşzamanlı olarak atmayı bırakan insanlara da yaşamı geri kazandırabilir. Kalp hücrelerinin asenkron (kaotik) kasılmasına fibrilasyon denir. Kalbin fibrilasyonu, tüm hücrelerinden kısa bir akım darbesi geçirilerek durdurulabilir. Bunu yapmak için, hastanın göğsüne, içinden yaklaşık on milisaniyelik bir süre ve onlarca ampere kadar bir genlik ile bir darbenin geçtiği iki elektrot uygulanır. Bu durumda deşarj enerjisi göğüs 400 J'ye ulaşabilir (ki bu eşittir potansiyel enerji pound ağırlığı 2,5 m yüksekliğe kaldırıldı). Cihaz sağlayan elektrik deşarjı Kalp fibrilasyonunu durduran cihaza defibrilatör denir. En basit defibrilatör salınım devresi 20 μF kapasiteli bir kapasitör ve 0,4 H endüktans bobininden oluşur. Kondansatörü 1-6 kV voltaja şarj edip bobin ve direnci yaklaşık 50 ohm olan hasta üzerinden boşaltarak hastayı hayata döndürmek için gerekli akım darbesini elde edebilirsiniz.

Işık veren elektrostatik

Bir floresan lamba, elektrik alan kuvvetinin uygun bir göstergesi olarak hizmet edebilir. Bundan emin olmak için karanlık bir odadayken lambayı bir havlu veya eşarpla ovalayın - sonuç olarak dış yüzey Lamba camı pozitif, kumaş ise negatif olarak yüklenecektir. Bu olur olmaz lambanın yüklü bir bezle dokunduğumuz yerlerinde ışık çakmalarının belirdiğini göreceğiz. Ölçümler, çalışan bir floresan lambanın içindeki elektrik alan kuvvetinin yaklaşık 10 V/m olduğunu göstermiştir. Böyle bir gerginlikle serbest elektronlar Bir floresan lambanın içindeki cıva atomlarını iyonize etmek için gerekli enerjiye sahiptirler.

Yüksek gerilim enerji hatlarının (güç hatlarının) altındaki elektrik alanı çok yüksek değerlere ulaşabilir. yüksek değerler. Bu nedenle, geceleri bir elektrik hattının altına bir flüoresan lamba yapıştırılırsa, oldukça parlak bir şekilde yanacaktır (Şek. 5). Böylece elektrostatik alanın enerjisini kullanarak elektrik hatlarının altındaki alanı aydınlatabilirsiniz.

Elektrostatik yangına karşı nasıl uyarıda bulunur ve dumanı nasıl daha temiz hale getirir?

Çoğu durumda, yangın alarmı dedektörü tipini seçerken, bir yangına genellikle dumanın salınması eşlik ettiğinden, duman sensörü tercih edilir. büyük miktar Duman ve bu tip dedektörler binadaki insanları tehlike konusunda uyarabilmektedir. Duman dedektörleri havadaki dumanı tespit etmek için iyonizasyon veya fotoelektrik prensibini kullanır.

İyonizasyon duman dedektörleri, metal elektrot plakaları arasındaki havayı iyonize eden bir α-radyasyon kaynağı (genellikle amerikyum-241) içerir; aralarındaki elektrik direnci özel bir devre kullanılarak sürekli olarak ölçülür. α-radyasyonu sonucu oluşan iyonlar, elektrotlar arasında iletkenlik sağlar ve burada ortaya çıkan dumanın mikropartikülleri iyonlara bağlanır, yüklerini nötralize eder ve böylece reaksiyona giren elektrotlar arasındaki direnci arttırır. elektrik şeması, bir alarm çalıyor. Bu prensibi temel alan sensörler, çok etkileyici bir hassasiyet göstererek, dumanın ilk işareti canlı tarafından algılanmadan önce bile tepki verir. Alfa ışınları bir kağıt yaprağının içinden bile geçemediğinden ve birkaç santimetre kalınlığındaki hava tabakası tarafından tamamen emildiğinden, sensörde kullanılan radyasyon kaynağının insanlar için herhangi bir tehlike oluşturmadığını belirtmek gerekir.

Toz parçacıklarının elektriklenme yeteneği, endüstriyel elektrostatik toz toplayıcılarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Örneğin yukarı doğru yükselen kurum parçacıkları içeren bir gaz, negatif yüklü bir metal ağdan geçer ve bunun sonucunda bu parçacıklar negatif bir yük kazanır. Yukarı doğru yükselmeye devam eden parçacıklar, kendilerini çekildikleri pozitif yüklü plakaların elektrik alanında bulurlar ve ardından parçacıklar, periyodik olarak çıkarıldıkları özel kaplara düşer.

Biyoelektrostatik

Astımın nedenlerinden biri, evimizde yaşayan yaklaşık 0,5 mm büyüklüğündeki böcekler olan toz akarlarının atık ürünleridir (Şekil 6). Araştırmalar astım ataklarının bu böceklerin salgıladığı proteinlerden birinden kaynaklandığını göstermiştir. Bu proteinin yapısı at nalı gibidir ve her iki ucu da pozitif yüklüdür. At nalı şeklindeki bu proteinin uçları arasındaki elektrostatik itme kuvvetleri, onun yapısının stabil olmasını sağlar. Ancak bir proteinin özellikleri, pozitif yüklerinin nötrleştirilmesiyle değiştirilebilir. Bu konsantrasyonu artırarak yapılabilir. negatif iyonlar havada herhangi bir iyonlaştırıcı kullanarak, örneğin bir Chizhevsky avizesi (Şekil 7). Aynı zamanda astım ataklarının sıklığı da azalır.

Elektrostatik, yalnızca böceklerin salgıladığı proteinleri nötralize etmekle kalmaz, aynı zamanda onları kendilerinin yakalamasına da yardımcı olur. Zaten şarj edilirse saçın "dik durduğu" söylenmişti. Böceklerin kendilerini elektrik yüklü bulduklarında neler yaşadıklarını hayal edebilirsiniz. Pençelerindeki en ince tüyler birbirinden ayrılıyor farklı taraflar ve böcekler hareket etme yeteneğini kaybeder. Şekil 8'de gösterilen hamamböceği tuzağı bu prensibe dayanmaktadır. Hamamböcekleri daha önce elektrostatik olarak yüklenmiş olan tatlı toza çekilir. Tozla kaplayın (resimde beyazdır) eğimli yüzey, tuzağın çevresinde bulunur. Tozun üzerine böcekler yükleniyor ve tuzağa yuvarlanıyor.

Antistatik ajanlar nelerdir?

Giysiler, halılar, yatak örtüleri vb. nesneler diğer nesnelerle temas ettikten sonra ve bazen de sadece hava jetleri ile yüklenir. Günlük yaşamda ve işte bu şekilde üretilen yüklere genellikle statik elektrik adı verilir.

Normal atmosferik koşullar altında, doğal lifler (pamuk, yün, ipek ve viskon) nemi iyi emer (hidrofilik) ve dolayısıyla elektriği çok az iletir. Bu tür lifler diğer malzemelere dokunduğunda veya sürtündüğünde yüzeylerinde aşırı elektrik yükleri oluşur, ancak bunlar çok fazla değildir. kısa zamançünkü yükler, çeşitli iyonları içeren kumaşın ıslak liflerinden hemen aşağı doğru akar.

Doğal elyaflardan farklı olarak sentetik elyaflar (polyester, akrilik, polipropilen) nemi iyi emmez (hidrofobik) ve yüzeylerinde daha az hareketli iyon bulunur. Temas halinde sentetik malzemeler birbirleriyle zıt yüklerle yüklenirler, ancak bu yükler çok yavaş boşaldığından malzemeler birbirine yapışarak rahatsızlık yaratır ve rahatsızlık. Bu arada saç, yapı olarak sentetik elyaflara çok yakın ve aynı zamanda hidrofobiktir, bu nedenle örneğin tarakla temas ettiğinde elektrikle yüklenir ve birbirini itmeye başlar.

Statik elektrikten kurtulmak için giysinin veya diğer eşyaların yüzeyi nemi tutan ve böylece yüzeydeki hareketli iyonların konsantrasyonunu artıran bir maddeyle yağlanabilir. Böyle bir işlemden sonra ortaya çıkan elektrik yükü, nesnenin yüzeyinden hızla kaybolacak veya nesnenin üzerine dağıtılacaktır. Bir yüzeyin hidrofilikliği, molekülleri sabun moleküllerine benzeyen yüzey aktif maddelerle yağlanarak arttırılabilir; çok uzun bir molekülün bir kısmı yüklü, diğeri yüklü değildir. Statik elektriğin ortaya çıkmasını engelleyen maddelere antistatik maddeler denir. Örneğin, sıradan kömür tozu veya kurum antistatik bir maddedir, bu nedenle statik elektrikten kurtulmak için halı ve döşeme malzemelerinin emprenye edilmesine lamba siyahı adı verilen madde dahil edilir. Aynı amaçlarla bu tür malzemelere %3'e kadar doğal lifler ve bazen de ince metal iplikler eklenir.

Portal:Fizik

Elektrostatik- sabit elektrik yüklerinin etkileşimini inceleyen elektrik çalışmasının bir bölümü.

Arasında aynı isimde yüklü cisimlerde elektrostatik (veya Coulomb) itme meydana gelir ve bunlar arasında farklı isimler yüklü - elektrostatik çekim. Benzer yüklerin itilmesi olgusu, elektrik yüklerini tespit etmek için bir cihaz olan bir elektroskopun yaratılmasının temelini oluşturur.

Elektrostatik Coulomb kanununa dayanmaktadır. Bu yasa noktasal elektrik yüklerinin etkileşimini açıklar.

Hikaye

Elektrostatiğin temeli Coulomb'un çalışmasıyla atıldı (gerçi ondan on yıl önce aynı sonuçlar, hatta daha büyük bir doğrulukla Cavendish tarafından da elde edilmişti. Cavendish'in çalışmasının sonuçları aile arşivinde saklandı ve yalnızca yüz yıl basıldı). yıllar sonra); ikincisi tarafından keşfedilen elektriksel etkileşimler yasası Green, Gauss ve Poisson'un matematiksel açıdan zarif bir teori yaratmasını mümkün kıldı. Elektrostatiğin en önemli kısmı Green ve Gauss tarafından oluşturulan potansiyel teorisidir. Geçmişte kitapları bu olayların incelenmesinde ana kılavuzu oluşturan Rees tarafından elektrostatik üzerine birçok deneysel araştırma yürütüldü.

geçirgenlik

Elektrostatikte uğraşılması gereken hemen hemen tüm formüllerde yer alan bir katsayı olan herhangi bir maddenin dielektrik katsayısı K'nın değerini bulmak çok farklı şekillerde yapılabilir. En sık kullanılan yöntemler şunlardır.

1) Aynı boyut ve şekle sahip, ancak birinde yalıtım katmanının bir hava katmanı, diğerinde ise test edilen dielektrik katmanı olan iki kapasitörün elektriksel kapasitanslarının karşılaştırılması.

2) Bir kapasitörün yüzeyleri arasındaki çekimlerin karşılaştırılması, bu yüzeylere belirli bir potansiyel fark uygulandığında, ancak bir durumda aralarında hava olduğunda (çekim kuvveti = F 0), diğer durumda test sıvısı yalıtkanı ( çekici kuvvet = F). Dielektrik katsayısı aşağıdaki formülle bulunur:

3) Elektrik dalgalarının gözlemleri (bkz. Elektriksel titreşimler), teller boyunca yayılıyor. Maxwell'in teorisine göre elektrik dalgalarının teller boyunca yayılma hızı aşağıdaki formülle ifade edilir:

V = 1 K μ .

Genellikle, aynı telin havada ve test dielektrikinde (sıvı) bulunan kısımlarında ortaya çıkan duran elektrik dalgalarının uzunlukları karşılaştırılır. Bu uzunlukları λ 0 ve λ belirledikten sonra K = λ 0 2 / λ 2 elde ederiz. Maxwell teorisine göre, herhangi bir yalıtkan maddede bir elektrik alanı uyarıldığında, bu maddenin içinde özel deformasyonların meydana geldiği sonucu çıkar. İndüksiyon tüpleri boyunca yalıtım ortamı polarize edilmiştir. Bu tüplerin eksenleri boyunca pozitif elektriğin hareketlerine benzetilebilecek elektriksel yer değiştirmeler meydana gelir ve tüpün her bir kesitinden eşit miktarda elektrik geçer.

Maxwell'in teorisi, dielektriklerde bir elektrik alanı uyarıldığında ortaya çıkan iç kuvvetler (gerilme ve basınç kuvvetleri) için ifadeler bulmayı mümkün kılar. Bu soru ilk olarak Maxwell tarafından ele alındı, daha sonra Helmholtz tarafından daha ayrıntılı olarak ele alındı. Bu konunun teorisinin daha da geliştirilmesi ve yakından bağlantılı elektrostriksiyon teorisi (yani, içlerinde bir elektrik alanı uyarıldığında dielektriklerde özel voltajların ortaya çıkmasına bağlı olan olayları dikkate alan bir teori) Lorberg'in çalışmalarına aittir, Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller ve diğerleri

Bu konunun teorisi ve yakından bağlantılı elektrostriksiyon teorisi (yani, içlerinde bir elektrik alanı uyarıldığında dielektriklerde özel voltajların oluşmasına bağlı olan olayları dikkate alan teori) Lorberg, Kirchhoff, P'nin çalışmalarına aittir. Duhem, N. N. Schiller ve diğerleri.

Elektrostriksiyonun en önemli yönlerine ilişkin kısa sunumumuzu indüksiyon tüplerinin kırılması konusunu ele alarak tamamlayalım. Bir elektrik alanında birbirinden bir S yüzeyi ile ayrılmış, dielektrik katsayıları K 1 ve K 2 olan iki dielektrik hayal edelim.

Elektrostriksiyon bölümünün en önemli kısmı indüksiyon tüplerinin kırılması sorununun dikkate alınmasıdır. Bir elektrik alanında birbirinden bir S yüzeyi ile ayrılmış, dielektrik katsayıları K 1 ve K 2 olan iki dielektrik hayal edelim.

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

F2 kuvvetinin normal n2 ile (ikinci dielektrik içinde) yaptığı açıyı ε 2 ile ve F1 kuvvetinin aynı normal n 2 ile yaptığı açıyı ε 1 ile gösterelim. (30), buluyoruz

Böylece, iki dielektrik maddeyi birbirinden ayıran yüzeyde, elektrik kuvveti, bir ortamdan diğerine giren bir ışık ışınında olduğu gibi, yön değişikliğine uğrar. Teorinin bu sonucu deneyimle doğrulanmıştır.

Ayrıca bakınız

Elektrostatik boşalma

Edebiyat

Landau, L.D., Lifshits, E.M. Alan teorisi. - 7. baskı, revize edilmiş. - M .: Nauka, 1988. - 512 s. - (“Teorik Fizik”, cilt II). - ISBN 5-02-014420-7
Matveyev A.N. Elektrik ve manyetizma. M.: Yüksek Lisans, 1983.
Tünel M.-A. Elektromanyetizmanın temelleri ve görelilik teorisi. Başına. fr. M.: Yabancı edebiyat, 1962. 488 s.
Borgman, "Elektrik doktrininin temelleri ve manyetik olaylar"(cilt I);
Maxwell, "Elektrik ve Manyetizma Üzerine İnceleme" (Cilt I);
Poincaré, "Electricité et Optique";
Wiedemann, "Die Lehre von der Elektricität" (cilt I);

Bağlantılar

Konstantin Bogdanov. Elektrostatik neler yapabilir // Kuantum. - M .: Bureau Quantum, 2010. - No. 2.

Notlar

Ana bölümler