Электрическое поле и его основные характеристики: 5.4. Электрическое поле и его характеристики

5.4. Электрическое поле и его характеристики

5.4. Электрическое поле и его характеристики

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем.

Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).

Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:

Е = F/ q.

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.

Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.

Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.

Разность потенциалов (ϕ 1 – ϕ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:

U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q.

В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:

E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля.

В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Основные параметры электрического поля

Электрическое поле – это пространство где проявляется действие электрических сил. Графически электрическое поле можно изобразить электрическими силовыми линиями.

Силовые линии электрического поля

Основная единица электрического заряда один кулон q – 1кл.

1кл = 6,3 × 1018 электронов.

Заряды, имеющие одноимённое значение отталкиваются, а разноименные притягиваются.
В радиотехнике применяются поля ускоряющие и тормозящие.

Параметры электрического поля

Потенциал – φ – это отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Основная единица потенциала ровна 1в.

Разность потенциалов между двумя точками называется напряжение.

• U – напряжение
• φ1 – φ2 = U
• U = 1в

• 1в = 103мв = 106мкв
• 1кв = 103в

Разность потенциалов бывает между одноимёнными зарядами и разноимёнными.

φ1 = 10ед

• φ1 – φ 2 = +10 – (+3) = +7ед
• φ2 – φ 1 = 3 – (+10) = –7ед
• φ1 – φ 3 = 10 – (–7) = 17ед

На управляющей сетке U относительно катода имеет отрицательный знак, так как напряжение на сетке меньше, а 25в чем на катоде.

Напряженность электрического поля

Напряжённость – это отношение силы, с которой электрическое поле действует на заряд к величине этого заряда.

• Если E ровняется cons+ то поле называется однородное.
• Если E ровно не cons+ то поле называется не однородное.

Закон Кулона – сила взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорционально произведению этих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой происходит взаимодействие.

• F – сила взаимодействия (H)
• q1 – q2 – заряды (K)
• r – расстояние (M)
• ε – диэлектрическая проницаемость вещества

Электрическое поле и его характеристики

У многих возникают вопросы, что же именно представляет собой электрическое поле? В чём разница между электрическим полем и полем электромагнитным? И самый главный вопрос, как поле может влиять на окружающие предметы и человека, и как можно измерить силу этого воздействия?

Вопросов много для одного понятия, поэтому нужно во всём последовательно разобраться. Для этого лучше всего строго разделить все понятия, что к чему относится.

Электрическое и электромагнитное поле

В первую очередь, стоит заметить, что нельзя путать эти два понятия, несмотря на то, что они немного схожи. В природе существует электрические и магнитные поля, взаимодействующие между собой и, при определённых условиях могут порождающие друг друга.

Электромагнитное поле – это итог взаимодействия электрического и магнитного полей, фундаментальное физическое поле, которое возникает вокруг заряженных тел. Таким образом, электрическое поле – это часть поля электромагнитного, которое в свою очередь порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Это не что иное, как возмущения электромагнитного поля.

Электрическое поле

Как уже было сказано ранее, электрическое поле – это часть фундаментального электромагнитного поля, это особый вид материи, который существует вокруг заряженных тел или частиц.

Оно может существовать и в свободном виде, когда происходят изменения магнитного поля, так как они напрямую зависят друг от друга и взаимодействуют между собой. Примером такого изменения могут быть электромагнитные волны.

Итак, электрическое поле возникает в пространстве вокруг заряженных тел и представляет собой вид материи, невидимой для обычного зрения человека. Но и его можно зафиксировать и измерить, благодаря тем характеристикам, которыми оно обладает.

На находящиеся в поле тела постоянно действуют электрические силы, они определяют запас энергии, которым обладает данное электрическое поле. На схемах электрическое поле изображают в виде непрерывных силовых линий – это традиционное представление, которое принято во всём мире.

Силовые линии не являются вымыслом, они фактически существуют на самом деле. Если в электрическое поле поместить частички гипса, предварительно взвешенные в масле, то они будут поворачиваться вдоль линий, так можно определить направление.

Напряжённость электрического поля

Электрическое поле можно измерить. В качестве количественного показателя вводится такое понятие, как напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика. Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри его с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Другими словами, напряжённость – это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда. В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность»

Электрический потенциал

У электрического поля можно измерить различные количественные характеристики, можно определить его интенсивность и силу воздействия. По этим показателям можно судить о том воздействии, которое оно может оказывать на тела и на человека.

Но у электрического поля есть и другая характеристика, которую можно назвать запасом энергии. Этот запас энергии является способностью электрического поля совершать работу.

Что же именно подразумевается под этим? Энергию можно накопить, для этого, например, можно сжать или растянуть пружину, при этом пружина будет совершать определённую работу за счёт той энергии, которая появляется в ней.

Точно также обстоит дело и с электрическим полем. Стоит только внести в него заряженное тело или частицу, то сразу высвобождается запас энергии. Заряд начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу. Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты.

Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда.

При рассмотрении понятия электрического потенциала можно говорить и о разности потенциалов. Можно представить себе человека, который поднимается по лестнице. Чтобы ему подняться на десятый этаж, ему понадобится больше энергии, чем для того, чтобы подняться на седьмой.

Так и в электрическом поле, чем дальше нужно переместить заряд, тем большую энергию нужно затратить.

В общих словах, электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Кстати, в некоторых частных случаях, когда изменения электрического и магнитного полей не происходит, электрический потенциал называется электростатическим. Это более упрощённый случай, и напряжённость высчитывается по более простой формуле.

Электрическое напряжение

Рассмотрев понятие электрического потенциала, можно переходить к ещё одной характеристике электрического поля – напряжению. Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов.

Разница потенциалов, как правило, гораздо важней, так как чаще приходится иметь дело именно с этой характеристикой. При перемещении заряда в поле, потенциал определяет ту работу, которая совершается при этом.

Таким образом, напряжение определяется отношением работы электрического поля A к величине заряда q, который перемещается в нём. Если вспомнить пример с человеком, который поднимается по лестнице, то в этом случае нас мало интересуют конкретные высоты каждого этажа, на который ему нужно подняться. Нам гораздо важней именно то расстояние, которое нужно пройти, разница между ними.

Т. е., это и есть разница потенциалов, если ввести ещё и понятие груза, который нужно поднять на верхний этаж, можно понять, что значит напряжение.

Между двумя точками электрического поля существует разница потенциалов и возникает напряжение. Оно характеризует тот запас энергии, который может высвободиться при перемещении заряда между этими двумя точками внутри рассматриваемого электрического поля.

Все характеристики электрического поля зависят друг от друга, каждую их них можно определить, если известны другие. Напряжение – один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Электрическое поле в природе и в быту

Электрические поля встречаются повсеместно, мы буквально окружены ими. Как правило, оно неразрывны с магнитными полями, образуя единые электромагнитные поля. Они возникают вокруг любого заряженного тела. Как пример – его можно получить, потерев обычную шариковую ручку о волосы.

Возле экранов телевизоров с электронно-лучевой трубкой или таких же мониторов компьютера, также возникает электрическое поле. Его можно даже почувствовать, стоит лишь поднести руку, и волосы начнут притягиваться. И таких примеров можно найти очень много.

Электростатическое поле и его характеристики

Напряженность электрического поля — как найти? Правила и примеры

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Что такое электрическое поле

Однажды Бенджамин Франклин, чей портрет можно увидеть на стодолларовой купюре, запускал воздушного змея во время дождя с грозой. Столь странное занятие он выбрал не просто так, а с целью исследования природы молнии. Заметив, что на промокшем шнуре волоски поднялись вверх (т. е. он наэлектризовался), Франклин хотел прикоснуться к металлическому ключу. Но стоило ему приблизить палец, раздался характерный треск и появились искры. Сработало электрическое поле.

Это случилось в середине XVIII века, но еще целое столетие ученые не могли толком объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым выяснил, что между ними есть некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, который установил, что для воздействия одного такого объекта на другой нужно время, а значит, они взаимодействуют через «посредника».

Объекты, несущие одноименные заряды, будут отталкиваться, а тела с разноименными зарядами — притягиваться.

Определение напряженности электрического поля

Для исследования электрического поля используются точечные заряды. Давайте выясним, что это такое.

Теперь поговорим непосредственно о напряженности, которая является одной из главных характеристик электрического поля. Это векторная физическая величина. В отличие от скалярных она имеет не только значение, но и направление.

Для того, чтобы исследовать электрическую напряженность, нужно в поле заряженного тела q₁ поместить еще один точечный заряд q₂ (допустим, они оба будут положительными). Со стороны q₁ на q₂ будет действовать некая сила. Очевидно, что для расчетов нужно иметь в виду как значение данной силы, так и ее направление, то есть вектор.

Напряженность является силовой характеристикой поля. Она говорит о том, как сильно влияние поля в данной точке не только на другой заряд, но также на живые и неживые объекты.

Единицы измерения и формулы

Из указанного выше определения понятно, как найти напряженность электрического поля в некой точке:

E = F / q, где F — действующая на заряд сила, а q — величина заряда, расположенного в данной точке.

Если нужно выразить силу через напряженность, мы получим следующую формулу:

F = q × E

Направление напряженности электрического поля всегда совпадает с направлением действующей силы. Если взять отрицательный точечный заряд, формулы будут работать аналогично.

Поскольку сила измеряется в ньютонах, а величина заряда — в кулонах, единицей измерения напряженности электрического поля является Н/Кл (ньютон на кулон).

Принцип суперпозиции

Допустим, у нас есть несколько зарядов, которые перекрестно взаимодействуют и образуют общее поле. Чему равна напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами?

Было установлено, что общая сила воздействия на конкретный заряд, расположенный в поле, является суммой сил, действующих на данный заряд со стороны каждого тела. Из этого следует, что и напряженность поля в любой взятой точке можно вычислить, просуммировав напряжения, создаваемые каждым зарядом в отдельности в той же точке (с учетом вектора). Это и есть принцип суперпозиции.

Е = Е₁+ Е₂+ Е₃… + Е_n.

Это правило корректно для любых полей, за некоторыми исключениями. Принцип суперпозиции не соблюдается в следующих случаях:

• расстояние между зарядами очень мало — порядка 10^-15м;

• речь идет о сверхсильных полях с напряженностью более 10²⁰в/м.

Но задачи с такими данными выходят за пределы школьного курса физики.

Напряженность поля точечного заряда

У электрического поля, создаваемого точечным зарядом, есть одна особенность — ввиду малой величины самого заряда оно очень слабо влияет на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используют для исследований.

Но прежде чем рассказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, рассмотрим подробнее, как взаимодействуют эти заряды.

Закон Кулона

Предположим, в вакууме есть два точечных заряженных тела, которые статично расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одноименности или разноименности они могут притягиваться либо отталкиваться. В любом случае на эти объекты воздействуют силы, направленные по соединяющей их прямой.

Силу электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле: где q₁ и q₂ — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.

В формуле участвует коэффициент пропорциональности k, который был определен опытным путем и представляет собой постоянную величину. Он обозначает, с какой силой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м.

Важно!

Сила взаимодействия двух точечных зарядов остается прежней при появлении сколь угодно большого количества других зарядов в данном поле.

Учитывая все вышесказанное, напряжение электрического поля точечного заряда в некой точке, удаленной от заряда на расстояние r, можно вычислить по формуле:

Итак, мы выяснили, что называется напряженностью электрического поля и от чего зависит эта величина. Теперь посмотрим, как она изображается графическим способом.

Онлайн-подготовка к ОГЭ по физике поможет снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Линии напряженности

Электрическое поле нельзя увидеть невооруженным глазом, но можно изобразить с помощью линий напряженности. Графически это будут непрерывные прямые, которые связывают заряженные объекты. Условная точка начала такой прямой — на положительном заряде, а конечная точка — на отрицательном.

При графическом изображении силовых линий можно передать не только направление, но и величину напряженности электрического поля (разумеется, условно). В местах, где модуль напряженности выше, принято делать более густой рисунок линий. Есть и случаи, когда густота линий не меняется — это бывает при изображении однородного поля.

Однородное электрическое поле создается разноименными зарядами с одинаковым модулем, расположенными на двух металлических пластинах. Линии напряженности между этими зарядами представляют собой параллельные прямые всюду, за исключением краев пластин и пространства за ними.

Повторение n n Электрическое поле Основные характеристики электрического

Повторение n n Электрическое поле Основные характеристики электрического поля: потенциал и напряженность Связь между силовой и энергетической характеристиками электрического поля Потенциальность электростатического поля

Некоторые практические примеры применения основных характеристик электрического поля

Цели урока: n n n Углубить знания об основных характеристиках электрического поля ; Выяснить, какие практические применения имеют понятие «потенциал» , «напряженность» ; Совершенствовать умения решать задачи по теме «Электрическое поле и его характеристики» .

Почему акула быстро обнаруживает упавшего в воду Почему акула быстро обнаруживает человека? в воде? человека Подсказка

Задача n Электрические органы акул обладают чрезвычайно высокой чувствительностью: рыбы реагируют на электрические поля напряженностью 0, 1 мк. В/см. n Определите разность потенциалов между двумя крайними точками чувствительного к электрическому полю органа акулы, если его длина равна 10 см.

Племена, живущие по отдаленным притокам рек Амазонки, Ориноко в местах брода у каждого берега держат на привязи лошадей. Когда кто-то хочет переправиться на противоположны берег, то он вначале гонит перед собой лошадь, а сам идет следом Обратный путь он проделывает таким же образом. Чем объясняется этот весьма своеобразный способ переправы?

Задача Между облаком и Землей возникла разность потенциалов 4 ГВ. Произойдет ли пробой воздуха, если при он наступает при напряженности электрического поля не менее 1, 3 МВ/м. Расстояние между облаком и землей 2 км.

Задача n n Кость обладает пьезоэлектрическим эффектом, поэтому ее деформация сопровождается возникновением электрического поля. Напряженность электрического поля при обычных нагрузках не превышает 0, 5 В/см. Рассчитайте, с какой силой электрическое поле будет действовать на электрон вблизи деформированной кости.

Задача n Почему несъемные протезы нельзя изготавливать из разных металлов ?

Задание на дом n n n 1. Одиночная клетка при возбуждении образует разность потенциалов порядка 150 м. В. Определите число клеток у электрического угря, ската, сома. 2. Длительность отдельных импульсов разрядов молнии 50 -100 мкс. Заряд, прошедший по каналу молнии, около 20 Кл. Определите силу тока молнии. 3. Почему во время грозы опасно стоять в толпе?

Ответы на вопрос «1.Электрическое поле и его основные характеристики.»

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов.
Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля.
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
    

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора  совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим.
Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности.
Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

Электрическое поле | Что такое, характеристики, детали, история, типы, для чего это нужно, примеры

Физика

Электрическое поле — это любая пространственная область , где электрические заряды , которые могут быть положительными или отрицательными, связаны между собой в определенном пространстве. предел, являющийся электрическим полем, одновременно ограничивающим пространство в плоскости и пространство тела, заряженного электричеством . Сам по себе он не поддается измерению, но измеряется эффект, создаваемый электрическими зарядами внутри.В 1832 году Фарадей более подробно предложил идею электрического поля, чтобы продемонстрировать принцип электромагнитной индукции.

Что такое электрическое поле?

Электрическое поле определяется как сектор пространства , определяемый электрической силой, которая состоит из двух или более зарядов . Направление электрического поля зависит от направления силы, которое оно оказывает на положительный заряд. Он генерируется радиально по направлению к внешней стороне положительного заряда и радиально к внутренней части точечного заряда .

Части

• Величина (интенсивность): определяется как размер вектора, представляющий поле. Используется модель частиц, находящихся в электрическом поле.
• Направление : визуализируется осью, пересекающей частицы и точку в пространстве, которая находится во взаимодействии.
• Sense : он определяется из ориентации линии, которая представляет величину, расположенную на оси, которая определяет направление электрического поля.
• Линии электрического поля или силовые линии : они определяются из воображаемых линий, которые нарисованы таким образом, что их направление в любой точке совпадает с направлением поля в этой точке. Они удаляются с положительными электрическими зарядами и удаляются с отрицательными электрическими зарядами.
• Сила : Электрическая сила — это набор, который существует между электрическими зарядами.

Характеристики электрического поля

Для правильной работы электрические поля должны иметь следующие характеристики:

• Они зависят исключительно от нагрузки, которая его генерирует.
• Электрическое поле существует только при обнаружении одного электрического заряда, второй или другие заряды не нужны для его обнаружения. Так же, как он существует, даже если груз не движется.
• Два или более электрических заряда взаимодействуют , которые могут быть положительными (+) или отрицательными (-). Противоположные заряды притягиваются, а одинаковые заряды отталкиваются.
• Визуализация линий в электрическом поле позволяет визуализировать величину и направление E.
• Напряженность или величина электрического поля измеряется в вольтах на метр (в / м). Уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.
• Источник энергии основан на электрическом напряжении.

История

Чтобы понять принцип работы электричества в 18 веке, такие исследования, как Кулоновские, сосредоточены на электричестве, его внутреннем и внешнем функционировании и обращении с ним в повседневном использовании. Установлено, что электрические заряды могут взаимодействовать на расстоянии между ними, а также массы против гравитационных сил . То есть масса или заряд могли необъяснимым образом, без какого-либо посредника, заметить присутствие другого в своем окружении.

Фарадей предлагает альтернативную интерпретацию , которая будет очень полезна, внося вклад в идею электрического поля, предложение о том, что: пространство, окружающее электрический заряд, зависит от его присутствия , поскольку оно изменяет его характеристики. В одной из своих попыток проверить свой подход Фарадей описывает его как невидимые щупальца, движущиеся от электрического заряда.

Таким образом, с того момента, как тело приобретает заряд, эта информация быстро распространяется в окружающей среде, фактически со скоростью света, и в конечном итоге может достичь другого заряда. Далее обсуждается взаимодействие между одним зарядом и другим, так как можно описать и изучить факт взаимодействия зарядов в поле, где он взаимодействует.

Для представления электрического поля используются силовые линии , которые будут векторами, которые оставляют положительные электрические заряды и переходят в отрицательные. Таким образом, указывается направление силы электрического поля, которое, в свою очередь, вызывает точечный и положительный заряд, называемый тестовым зарядом. Количество силовых линий было бы пропорционально напряженности электрического поля, поскольку при подсчете линий взаимодействия они очень близки, поле велико, а там, где они разделены, поле мало.

Такие исследователи, как Майкл Фарадей и более поздние исследования Джеймса Клерка Максвелла , позволили первые описания электрических явлений, например, закон Кулона, в котором учитывались только электрические заряды; затем разработать более полные законы, в которых изучается изменение поля.

Для чего нужно электрическое поле?

Электрическое поле служит для выделения взаимодействия заряженных частиц и определения силы, действующей на заряд, находящийся в этой точке.

Единицы измерения электрического поля

В качестве единицы измерения напряженности или величины электрического поля используется вольт на метр (в / м).

Закон Кулона может использоваться в случае электрических полей, потому что он устанавливает, как сила между двумя точечными электрическими зарядами, являясь точечным электрическим зарядом, зарядом, который расположен в геометрической точке на пространственном уровне.Помня, что он будет использоваться в определенных случаях, учитывая, что эти заряды должны находиться в состоянии покоя, генерируя электростатику. Этот закон изучает взаимодействие между электрическими зарядами, которые особенно малы по сравнению с расстоянием между ними.

Формула

Формула для расчета электрического поля выглядит следующим образом:

Где E — напряженность электрического поля, F — сила и q — нагрузка .

Типы

Существует трех типов электрических полей. Первый создается распределением заряда и известен как электростатическое поле . Второй и третий связаны с двумя типами магнитной индукции , один создается пространственным перемещением относительно магнитного потока, а другой создается за счет времени соединения , которое изменяет магнитный поток.

Однородное электрическое поле

Электрическое поле состоит из пространственной зоны, в которой взаимодействуют электрические заряды одинаковой величины, значения и направления.Например, при наличии двух заряженных параллельных пластин электрическое поле будет ориентировано от пластины с положительным электрическим зарядом к пластине с отрицательным зарядом, в результате чего вектор не изменится.

Примеры

• Электрические лампы : Электрическая лампа, подключенная к источнику тока с помощью электрического кабеля, способна генерировать электрические поля в воздухе, окружающем это устройство. Чем выше напряжение, тем больше напряженность электрического поля. Напряжение может существовать даже при отсутствии активного электрического тока, поскольку не требуется, чтобы электроприбор был активен для создания вокруг него электрического поля.
• Радио и телевидение передающие и приемные антенны : от передающего устройства радиостанции к обычному радио сообщение передается через электрическое поле, которое создается антеннами, которые захватывают информацию и передают ее. Его наиболее распространенная форма — металлический стержень. Каждая радиостанция имеет определенную частоту, которая генерирует разные электрические поля, работа определяется периодическим движением зарядов электрической энергии, которые перемещаются от одного конца к другому, генерируя на одном конце антенны избыток отрицательного заряда, а на другом. конец, генерирует дефицит положительного заряда, меняются с одного конца на другой, генерируя полярность.

Написано Габриэлой Брисеньо В.

Учебник по физике: электрические поля и проводники

Ранее мы показали в Уроке 4, что любой заряженный объект — положительный или отрицательный, проводник или изолятор — создает электрическое поле, которое пронизывает окружающее его пространство. В случае с проводниками есть множество необычных характеристик, о которых мы могли бы подробнее рассказать. Вспомните из Урока 1, что проводник — это материал, который позволяет электронам относительно свободно перемещаться от атома к атому. Было подчеркнуто, что, когда проводник приобретает избыточный заряд, избыточный заряд перемещается и распределяется по проводнику таким образом, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания внутри проводника. Мы рассмотрим это более подробно в этом разделе Урока 4, когда познакомимся с идеей электростатического равновесия. Электростатическое равновесие — это состояние, устанавливаемое заряженными проводниками, в которых избыточный заряд оптимально удален, чтобы уменьшить общее количество сил отталкивания.Как только заряженный проводник достигает состояния электростатического равновесия, дальнейшее движение заряда по поверхности прекращается.

Электрические поля внутри заряженных проводников

Заряженные проводники, достигшие электростатического равновесия, обладают множеством необычных характеристик. Одной из характеристик проводника в электростатическом равновесии является то, что электрическое поле в любом месте под поверхностью заряженного проводника равно нулю. Если бы электрическое поле действительно существовало под поверхностью проводника (и внутри него), то электрическое поле оказывало бы силу на все электроны, которые там присутствовали. Эта результирующая сила начнет ускорять и перемещать эти электроны. Но объекты, находящиеся в состоянии электростатического равновесия, больше не имеют движения заряда по поверхности. Так что, если бы это произошло, то первоначальное утверждение, что объект находился в электростатическом равновесии, было бы ложным. Если электроны внутри проводника приняли состояние равновесия, то результирующая сила, действующая на эти электроны, равна нулю.Силовые линии электрического поля либо начинаются, либо заканчиваются на заряде, а в случае проводника заряд существует только на его внешней поверхности. Линии идут от этой поверхности наружу, а не внутрь. Это, конечно, предполагает, что наш проводник не окружает область пространства, где был другой заряд.

Чтобы проиллюстрировать эту характеристику, давайте рассмотрим пространство между двумя концентрическими проводящими цилиндрами разного радиуса и внутри них, как показано на диаграмме справа. Внешний цилиндр заряжен положительно. Внутренний цилиндр заряжен отрицательно. Электрическое поле вокруг внутреннего цилиндра направлено в сторону отрицательно заряженного цилиндра. Поскольку этот цилиндр не окружает область пространства, где есть другой заряд, можно сделать вывод, что избыточный заряд находится исключительно на внешней поверхности этого внутреннего цилиндра. Электрическое поле внутри внутреннего цилиндра было бы нулевым. При рисовании силовых линий электрического поля линии будут проводиться от внутренней поверхности внешнего цилиндра к внешней поверхности внутреннего цилиндра.Что касается избыточного заряда на внешнем цилиндре, необходимо учитывать не только силы отталкивания между зарядами на его поверхности. Хотя избыточный заряд на внешнем цилиндре стремится уменьшить силы отталкивания между его избыточным зарядом, он должен уравновесить это с тенденцией притяжения к отрицательным зарядам на внутреннем цилиндре. Поскольку внешний цилиндр окружает заряженную область, характеристика заряда, находящегося на внешней поверхности проводника, не применяется.

Эта концепция нулевого электрического поля внутри замкнутой проводящей поверхности была впервые продемонстрирована Майклом Фарадеем, физиком 19 века, который продвигал полевую теорию электричества.Фарадей построил комнату внутри комнаты, накрыв внутреннюю комнату металлической фольгой. Он сидел во внутренней комнате с электроскопом и заряжал поверхности внешней и внутренней комнаты с помощью электростатического генератора. Хотя между стенами двух комнат летели искры, во внутренней комнате не было обнаружено электрического поля. Избыточный заряд на стенах внутренней комнаты полностью приходился на внешнюю поверхность комнаты. Сегодня эта демонстрация часто повторяется на показах физики в музеях и университетах.

Внутренняя комната с проводящей рамкой, которая защищала Фарадея от статического заряда, теперь называется клеткой Фарадея . Клетка служит для защиты всех, кто находится внутри, от воздействия электрических полей. Любая закрытая проводящая поверхность может служить клеткой Фарадея, защищая все, что она окружает, от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Этот принцип экранирования широко используется сегодня, поскольку мы защищаем хрупкое электрическое оборудование, заключая его в металлические корпуса.Даже хрупкие компьютерные микросхемы и другие компоненты поставляются внутри проводящей пластиковой упаковки, которая защищает микросхемы от потенциально разрушительного воздействия электрических полей. Это еще один пример «Физики для лучшей жизни».

Электрические поля перпендикулярны заряженным поверхностям

Вторая характеристика проводников в электростатическом равновесии состоит в том, что электрическое поле на поверхности проводника направлено полностью перпендикулярно поверхности.Не может быть компонента электрического поля (или электрической силы), параллельного поверхности. Если проводящий объект имеет сферическую форму, это означает, что перпендикулярные векторы электрического поля выровнены с центром сферы. Если объект имеет неправильную форму, то вектор электрического поля в любом месте перпендикулярен касательной линии, проведенной к поверхности в этом месте.

Понимание того, почему эта характеристика верна, требует понимания векторов, силы и движения.Движение электронов, как и любого физического объекта, подчиняется законам Ньютона. Одним из результатов законов Ньютона было то, что несбалансированные силы заставляют объекты ускоряться в направлении несбалансированной силы, а баланс сил заставляет объекты оставаться в равновесии. Эта истина составляет основу объяснения того, почему электрические поля должны быть направлены перпендикулярно поверхности проводящих объектов. Если бы существовала составляющая электрического поля, направленная параллельно поверхности, то избыточный заряд на поверхности приводил бы в ускоренное движение этой составляющей.Если заряд приводится в движение, то объект, на котором он находится, не находится в состоянии электростатического равновесия. Следовательно, электрическое поле должно быть полностью перпендикулярно проводящей поверхности для объектов, находящихся в электростатическом равновесии. Конечно, проводящий объект, который недавно приобрел избыточный заряд, имеет компонент электрического поля (и электрической силы), параллельный поверхности; именно этот компонент воздействует на вновь приобретенный избыточный заряд, чтобы распределить избыточный заряд по поверхности и установить электростатическое равновесие.Но после его достижения больше нет ни параллельной составляющей электрического поля, ни движения избыточного заряда.

Электрические поля и кривизна поверхности

Третья характеристика проводящих объектов в электростатическом равновесии состоит в том, что электрические поля наиболее сильны в местах вдоль поверхности, где объект наиболее изогнут. Кривизна поверхности может варьироваться от абсолютной плоскостности на одном конце до изогнутой до тупой точки на другом конце.

Плоское место не имеет кривизны и характеризуется относительно слабыми электрическими полями. С другой стороны, затупленная точка имеет высокую степень кривизны и характеризуется относительно сильными электрическими полями. Сфера имеет одинаковую форму с одинаковой кривизной во всех точках ее поверхности. Таким образом, напряженность электрического поля на поверхности сферы везде одинакова.

Чтобы понять причину этой третьей характеристики, мы рассмотрим объект неправильной формы, который заряжен отрицательно.У такого объекта избыток электронов. Эти электроны будут распределяться таким образом, чтобы уменьшить действие их сил отталкивания. Поскольку электростатические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния, эти электроны будут стремиться позиционировать себя так, чтобы увеличивать свое расстояние друг от друга. На сфере правильной формы максимальное расстояние между всеми соседними электронами будет одинаковым. Но на объекте неправильной формы избыточные электроны будут накапливаться с большей плотностью в местах наибольшей кривизны.Рассмотрим диаграмму справа. Электроны A и B расположены вдоль более плоского участка поверхности. Как и все электроны с хорошим поведением, они отталкиваются друг от друга. Силы отталкивания направлены вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом, в результате чего сила отталкивания в основном параллельна поверхности. С другой стороны, электроны C и D расположены вдоль участка поверхности с более резкой кривизной. Эти избыточные электроны также отталкиваются друг от друга с силой, направленной вдоль линии, соединяющей заряд с зарядом.Но теперь сила направлена ​​под более острым углом к ​​поверхности. Составляющие этих сил, параллельные поверхности, значительно меньше. Большая часть силы отталкивания между электронами C и D направлена ​​перпендикулярно поверхности.

Параллельные компоненты этих сил отталкивания заставляют избыточные электроны перемещаться по поверхности проводника. Электроны будут двигаться и распределяться, пока не будет достигнуто электростатическое равновесие. По достижении, равнодействующая всех параллельных компонентов на любом данном избыточном электроне (и на всех избыточных электронах) будет в сумме равняться нулю.Все параллельные компоненты силы, действующие на каждый из электронов, должны быть равны нулю, поскольку результирующая сила, параллельная поверхности проводника, всегда равна нулю (вторая характеристика, обсуждаемая выше). Для того же расстояния разделения параллельная составляющая силы является наибольшей в случае электронов A и B. Таким образом, чтобы достичь этого баланса параллельных сил, электроны A и B должны дистанцироваться друг от друга дальше, чем электроны C и D. Электроны C и D, с другой стороны, могут сближаться друг с другом в месте своего расположения, поскольку параллельный компонент сил отталкивания меньше.В конце концов, относительно большое количество заряда скапливается в местах наибольшей кривизны. Это большее количество заряда в сочетании с тем фактом, что их силы отталкивания в основном направлены перпендикулярно поверхности, приводит к значительно более сильному электрическому полю в таких местах с повышенной кривизной.

Тот факт, что поверхности с резкими изгибами до тупой кромки создают сильные электрические поля, является основным принципом использования громоотводов.В следующем разделе Урока 4 мы исследуем явление разряда молнии и использование громоотводов для предотвращения ударов молнии.

Мы хотели бы предложить …

Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Положите заряд в цель» и / или интерактивного интерфейса «Электростатические пейзажи».Оба интерактивных компонента можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактивных элемента предоставляют увлекательную среду для изучения электрических полей и действий на расстоянии.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Предположим, что сфера генератора Ван де Граафа собирает заряд. Затем двигатель выключают, и сфере дают возможность достичь электростатического равновесия. Заряд ___.

а. находится как на поверхности, так и во всем объеме

г. находится в основном внутри сферы и выходит наружу только при прикосновении

г. находится только на поверхности сферы

2.Опишите напряженность электрического поля в шести отмеченных местах заряженного объекта неправильной формы справа. Используйте в описании фразы «ноль», «относительно слабый», «средний» и относительно сильный ».

3. Справа показана схема заряженного проводника неправильной формы. Обозначены четыре точки на поверхности — A, B, C и D.Расположите эти места в порядке возрастания силы их электрического поля, начиная с наименьшего электрического поля.

4. Рассмотрите схему кнопки, показанную справа. Предположим, что канцелярская кнопка заряжается положительно. Нарисуйте линии электрического поля вокруг кнопки.

См. Схему силовых линий электрического поля.

5.Изобразите линии электрического поля для следующей конфигурации двух объектов. Разместите стрелки на линиях поля.

См. Схему силовых линий электрического поля.

6. Излюбленная демонстрация физики, используемая с генератором Ван де Граафа, включает в себя медленное приближение к куполу с протянутой к устройству скрепкой. Почему демонстратор не поджаривается при приближении к машине с торчащим вперед тупым краем скрепки?

7. ИСТИНА или ЛОЖЬ :

Громоотводы устанавливаются на дома, чтобы защитить их от молнии. Они работают, потому что электрическое поле вокруг молниеотводов слабое; таким образом, существует небольшой поток заряда между громоотводами / домом и заряженными облаками.

Схема линий электрического поля

для вопроса № 4:

Приведенная выше диаграмма не была создана программой Field Plotting; это, безусловно, выглядело бы лучше, если бы это было так.Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:

• Силовые линии электрического поля должны быть направлены от положительно заряженной кнопки к краям страницы. На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление.
• Все силовые линии электрического поля должны быть перпендикулярны поверхности кнопки в местах пересечения линий и кнопки.
• Должно быть больше линий на заостренном конце кнопки и двух резко изогнутых участках и меньше линий на более плоских участках кнопки.

Вернуться к вопросу №4

Схема линий электрического поля

для вопроса № 5:

Еще раз, приведенная выше диаграмма не была создана программой для построения полей; это, вероятно, выглядело бы лучше, если бы это было так. Ваш ответ может выглядеть иначе (особенно при сравнении деталей), но он должен иметь следующие общие характеристики с диаграммой, приведенной здесь:

• Линии поля должны быть направлены от + к — или от края страницы к — или от + к краю страницы. На каждой линии поля ДОЛЖНА быть стрелка, указывающая направление.
• На поверхности любого объекта силовые линии должны быть направлены перпендикулярно поверхности.
• На резко изогнутых и заостренных поверхностях объектов должно быть больше линий и меньше линий на более плоских участках.

Вернуться к вопросу № 5

Учебное пособие по физике: Линии электрического поля

В предыдущем разделе Урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля. Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, напрямую связана с количеством заряда на заряде источника и обратно пропорционально расстоянию от источника заряда. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный тестовый заряд будет выталкиваться или вытягиваться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд. Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. В любом заданном месте стрелки указывают направление электрического поля, а их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на схеме ниже. Обратите внимание, что длины стрелок больше, когда они ближе к источнику заряда, и короче, когда они дальше от источника заряда.

Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля. Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, более полезно нарисовать узор из нескольких линий, которые проходят между бесконечностью и зарядом источника. Эти линии, иногда называемые линиями электрического поля , указывают в направлении, в котором положительный испытательный заряд будет ускоряться, если поместить их на линию.Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам. Для передачи информации о направлении поля каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Схема силовых линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий снижает удобочитаемость рисунков, количество линий обычно ограничено. Присутствия нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать природу электрического поля в пространстве, окружающем эти линии.

Правила построения диаграмм электрического поля

Существует множество условных обозначений и правил для рисования таких моделей линий электрического поля. Условные обозначения просто установлены для того, чтобы рисунки линий электрического поля передавали наибольший объем информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно из распространенных правил — окружать более заряженные объекты большим количеством линий.Предметы с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружив сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, плотностью линий. Это соглашение изображено на диаграмме ниже.

Плотность линий, окружающих любой данный объект, не только раскрывает информацию о количестве заряда в исходном заряде, но и плотность линий в определенном месте в пространстве раскрывает информацию о напряженности поля в этом месте.Рассмотрим объект, показанный справа. На разных расстояниях от источника заряда нарисованы два разных круглых сечения. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда. Силовые линии расположены ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они разнесены дальше друг от друга в наиболее удаленных от заряда областях пространства. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы предположить, что электрическое поле является наибольшим в местах, наиболее близких к поверхности заряда, и, по крайней мере, в местах, удаленных от поверхности заряда.Плотность линий в структуре силовых линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.

Второе правило рисования линий электрического поля включает рисование силовых линий, перпендикулярных поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает компонента электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности заряда источника, начал бы ускоряться. Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; это никогда не наблюдается в статическом электричестве . Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций из двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.

Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и соблазнительно нарушить) при рисовании линий электрического поля для ситуаций, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже). Если бы силовым линиям электрического поля было позволено пересекать друг друга в данном месте, вы могли бы представить себе результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и силе) электрического поля в определенной области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в данном месте, тогда должно быть два четко разных значения электрического поля с их собственным индивидуальным направлением в этом заданном месте. Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и направление, связанное с ней. Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекать друг друга в любом заданном месте в пространстве.

Линии электрического поля для конфигураций из двух или более зарядов

В приведенных выше примерах мы видели силовые линии электрического поля в пространстве, окружающем точечные заряды.Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как можно описать электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.

Предположим, что есть два положительных заряда — заряд A (Q _A ) и заряд B (Q _B ) — в данной области пространства. Каждый заряд создает собственное электрическое поле.В любом заданном месте вокруг зарядов напряженность электрического поля можно рассчитать с помощью выражения kQ / d ² . Поскольку имеется два заряда, расчет kQ / d ² необходимо будет выполнить дважды в каждом месте — один раз с kQ _A / d _A ² и один раз с kQ _B / d _B ² (d _A — это расстояние от этого места до центра заряда A, а d _B — это расстояние от этого места до центра заряда B).Результаты этих вычислений проиллюстрированы на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E _A и E _B ), нанесенными в различных местах. Сила поля обозначается длиной стрелки, а направление поля обозначается направлением стрелки.

Поскольку электрическое поле является вектором, обычные операции, применяемые к векторам, могут быть применены к электрическому полю. То есть они могут быть добавлены по схеме «голова к хвосту» для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте.Это показано на схеме ниже.

Схема выше показывает, что величина и направление электрического поля в каждом месте — это просто векторная сумма векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше местоположений и процесс рисования E _A , E _B и E _net повторяется, тогда напряженность и направление электрического поля во множестве местоположений будут известны. (Это не делается, поскольку это очень трудоемкая задача.В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию двух наших зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного количества точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это показано на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой данной точке.

Построение силовых линий электрического поля таким способом — утомительная и громоздкая задача.Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большим количеством операций). Какой бы метод ни использовался для определения рисунков силовых линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что образец является результатом рисунков для отдельных зарядов в конфигурации. Картины силовых линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.

На каждой из приведенных выше диаграмм заряды отдельных источников в конфигурации имеют одинаковую величину заряда.Имея одинаковое количество заряда, каждый исходный заряд имеет равную способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, узор является симметричным по своей природе, и количество линий, исходящих от заряда источника или идущих к заряду источника, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный заряд источника, пропорциональна количеству заряда на этом заряде источника. Если количество заряда на исходном заряде не идентично, рисунок примет асимметричный характер, поскольку один из исходных зарядов будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства.Это показано на рисунках силовых линий электрического поля ниже.

После построения диаграмм линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие модели для других конфигураций. Есть ряд принципов, которые помогут в таких прогнозах. Эти принципы описаны (или повторно описаны) в списке ниже.

• Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта к бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
• Силовые линии электрического поля никогда не пересекаются.
• Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим зарядом.
• В местах, где силовые линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.

Линии электрического поля как невидимая реальность

В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, которое происходит между заряженными объектами.Понятие электрического поля было впервые введено физиком 19 века Майклом Фарадеем. Фарадей считал, что рисунок линий, характеризующий электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того чтобы мыслить в терминах влияния одного заряда на другой, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на пространство, которое его окружает. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве. С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда. Заряженный объект посылает свое электрическое поле в космос от «съемника до шкива». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную сеть влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Таким образом, когда вы практикуете упражнение по построению силовых линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии.Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая притягивает и отталкивает другие заряды, попадающие в нее.

Мы хотели бы предложить …

Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете одно из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Положите заряд в цель» и / или нашего интерактивного интерфейса «Линии электрического поля».Оба интерактивных компонента можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактивных элемента предоставляют увлекательную среду для исследования силовых линий электрического поля.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. На диаграммах ниже показаны несколько диаграмм направленности силовых линий электрического поля.Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так во всех неправильных схемах.

2. Эрин Агин нарисовала следующие силовые линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.

3. Рассмотрите силовые линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже.Из диаграммы видно, что объект A — это ____, а объект B — ____.

4.Рассмотрим линии электрического поля, нарисованные справа для конфигурации из двух зарядов. На схеме обозначено несколько мест. Расположите эти места в порядке убывания напряженности электрического поля — от наименьшего к наибольшему.

5. Используйте свое понимание силовых линий электрического поля, чтобы определить заряды на объектах в следующих конфигурациях.

6.Наблюдайте за линиями электрического поля ниже для различных конфигураций. Ранжируйте предметы, у которых есть наибольшая величина электрического заряда, начиная с наименьшего заряда.

Понимание электрического поля и его характеристик

Определение электрического поля — это область электрически заряженных объектов, как положительных, так и отрицательных.Электрическое поле полезно для ограничения пространства в поле и границ в пространстве электрически заряженных объектов.

Измерение электрического поля не может быть выполнено само по себе, необходимо использовать эффекты или удары, вызванные большим электрическим зарядом в нем. Электрическое поле также является векторным полем.

Электричество часто встречается в обсуждениях на уроках физики. В своем применении электрическое поле относится к электронному полю. Потому что он использует электрический заряд в кабеле или может называться проводящим проводом.

arpansa.gov.au

Знание определения электрического поля

Электрическое поле — это эффект, который возникает из-за наличия в нем электрического заряда. Будь то электроны, протоны или ионы в другом пространстве вокруг него. Электрическое поле — это пространственный сектор, который возникает из-за электрической силы и обычно состоит из двух или более зарядов.

Само электрическое поле имеет единицу, а именно Ньютон / Клумб, которую обычно обозначают символом n / c. Между тем, чтобы описать это с помощью воображаемых линий или линий электрической силы.Дуга — это путь, по которому движется положительный заряд в электрическом поле.

Электрическая сила никогда не пересечется, потому что электрическая сила — это воображаемая линия, исходящая от положительно заряженного объекта и оканчивающаяся отрицательным зарядом.

Характеристики электрического поля

Узнав значение электрического поля, мы пытаемся перейти к характеристикам электричества. Чтобы электрическое поле работало правильно и правильно, оно должно иметь свои характеристики и характеристики.Ниже приведены некоторые характеристики электрического поля.

• Электричество зависит только от нагрузки, которая его производит
• Источник энергии в электричестве соответствует сетевому напряжению.
• Есть нагрузка электричеством на 2/3 больше, и еще много

Статические электрические поля (0 Гц)

Характеристики поля и его использование

Статические электрические поля — это постоянные поля, которые не меняют свою интенсивность или направление с течением времени, в отличие от переменных полей низкой и высокой частоты.Следовательно, статические электрические поля имеют частоту 0 Гц. Они действуют на заряды или заряженные частицы.

Сила статического электрического поля выражается в вольтах на метр (В / м). Напряженность естественного электрического поля в атмосфере колеблется от примерно 100 В / м в хорошую погоду до нескольких тысяч В / м под грозовыми облаками. Другими источниками статических электрических полей являются разделение зарядов в результате трения или статических электрических токов от различных технологий. В домашних условиях при ходьбе по непроводящему ковру могут накапливаться зарядовые потенциалы в несколько киловольт, создавая локальные поля до 500 кВ / м.Линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения могут создавать статические электрические поля до 20 кВ / м и более. Внутри электропоездов постоянного тока могут быть статические электрические поля до 300 В / м.

Воздействие статических электрических полей на тело и последствия для здоровья

Статические электрические поля не проникают в тело человека из-за его высокой проводимости. Электрическое поле индуцирует поверхностный электрический заряд, который, если он достаточно велик, может быть воспринят через его взаимодействие с волосами на теле и через другие явления, такие как искровые разряды (микрошоки).Порог восприятия у людей зависит от различных факторов и может составлять от 10 до 45 кВ / м. Кроме того, очень сильные электрические поля, например, от линий HVDC, могут заряжать частицы в воздухе, в том числе загрязненные. Была выдвинута гипотеза, что заряженные частицы могут лучше поглощаться легкими, чем незаряженные, и, таким образом, повышать подверженность людей загрязнению воздуха. Однако современные знания показывают, что повышение риска для здоровья от такого заряда частиц очень маловероятно.

В целом, ограниченное количество лабораторных исследований на животных и людях, в которых изучались эффекты воздействия статических электрических полей, не предоставили доказательств неблагоприятного воздействия на здоровье.

Защита

Единственно установленный эффект для здоровья — возможный стресс в результате длительного воздействия микрошоков. Национальные органы власти могут внедрять программы, которые защищают как население, так и рабочих от любого нежелательного воздействия статического электричества и которые предотвращают дискомфорт от электрического разряда в тканях тела.

Характеристики атмосферного электрического поля и корреляция с CO2 в сельской местности на юге Балкан | Земля, планеты и космос

Наблюдения PG и выбор набора FW

На рис. 2 гистограмма почасовых средних значений PG представлена ​​в ячейках 10 В м ^-1 за период с июня 2011 года по май 2012 года в условиях AW. Подавляющее большинство значений (93,6%) было сосредоточено в диапазоне от -200 до 350 В · м ^-1 , причем все интервалы отображали частоту встречаемости> 0,1%. Среднее значение и стандартное отклонение (STD) составили 66,24 и 649,90 В · м ^-1 соответственно. Этот STD исключительно высок из-за возникновения условий DW, например, грозы, которые могут вызвать значения PG до 15 кВ м ^-1 или даже больше (MacGorman and Rust 1998), в то время как на этом участке наблюдается один из самых высоких кераунических явлений. уровни, зарегистрированные на юге Балканского полуострова (Mazarakis et al.2008; Хронис 2012). Здесь мы отмечаем, что уровень керауны определяется как среднее количество дней в году, когда гром можно услышать в данной области, и представляет вероятность возникновения грозы. Условия DW не ограничиваются грозами, но также включают случаи прохождения области заряженных облаков над EFM и ливневые дожди. Считается, что эти факторы вызывают значения PG, которые выходят за пределы диапазона -200 В м ^-1 -1 из-за их сильной электростатической природы, составляя остальные 6.4% от общей раздачи.

Фиг.2

a Распределение среднечасовых значений PG и b часовых стандартных отклонений (STD). Средние почасовые значения классифицируются в ячейках 10 В м ^-1 , а стандартные значения — в ячейках 2 В м ^-1 . Данные относятся к периоду с июня 2011 г. по май 2012 г. при любых погодных условиях (AW). Гистограмма STD показывает распределение STD 10-минутных средних значений в течение каждого часа

Существенным элементом распределения является количество почасовых значений, попадающих в диапазон -200 -1 , что составляет 16.9% набора данных, в отличие от данных на других сайтах, где отрицательные значения встречаются гораздо реже (Bennett and Harrison 2007; Israelsson and Tammet, 2001). Эти часы можно отнести к условиям DW, потому что они обычно вызывают изменение PG на отрицательные значения. Большинство этих значений происходит ночью, независимо от погодных условий; это подразумевает существование локального генератора (локального источника генерации пространственного заряда), достаточно мощного для создания достаточного отрицательного пространственного заряда для обращения PG (Piper and Bennett 2012).Из-за времени и повторяемости явления наиболее вероятным источником является естественная радиоактивность. При ночной инверсии радиоактивные вещества, такие как радон и его дочерние продукты, улавливаются близко к земле, вызывая эффект обратного электрода и увеличивая отрицательную плотность изменения пространства, что впоследствии снижает PG (Hoppel et al. 1986). Предположение о том, что естественная радиоактивность является локальным генератором, вызывающим инверсию PG, дополнительно подтверждается тем фактом, что площадка станции перекрывает гранитные месторождения и урановые руды (Pergamalis et al. 1998; Pergamalis et al. 2010) и демонстрирует одни из самых высоких потоков радона в Европе. Этот фактор, подтвержденный моделями (López-Coto et al. 2013) и недавними наблюдениями (Kourtidis et al. 2015), также может быть ответственным за повышенную проводимость вблизи земли (Latha 2007). Наряду с в целом низкими концентрациями аэрозолей, которые демонстрирует наш сайт, как типичный сельский район вдали от источников сильного загрязнения, таких как промышленные предприятия и крупные города, такие как Афины (Retalis and Retalis 1997), этот фактор стал причиной снижения среднего значения AW до 66.24 В м ⁻¹ (Исраэльссон, Таммет, 2001).

Для того же периода гистограмма почасовых STD, рассчитанных на основе 10-минутных средних, также представлена ​​на рис. 2. Распределение показывает ярко выраженный положительный перекос, обозначающий относительную субчасовую стабильность. Наибольший процент почасовых средних значений, 91%, демонстрирует STD <100 В · м ⁻¹ , что означает, что большинство часов соответствует критериям условий FW (Harrison 2011). Несмотря на относительную субчасовую стабильность, PG по-прежнему показывает небольшие колебания в течение каждого часа, в основном от 4 до 20 В · м ⁻¹ , отражая эффекты изменения местных факторов, таких как объемный заряд и аэрозоли.

На данный момент очевидно, что как почасовые значения PG, так и их соответствующие STD сильно зависят от преобладающих метеорологических условий в течение этого часа (например, наличие гроз, прохождение зарядовых облаков) и наличие местных генераторов (например, радона). . Эти влияния имеют местное происхождение и способны полностью маскировать ответ PG на суточные колебания GEC. Чтобы позволить изучить суточные и сезонные изменения PG без вмешательства условий DW и условий с интенсивной ионизацией, был создан набор данных FW – PG.Для определения данных, которые должны быть включены в набор FW, использовались два простых критерия: 0 -1 и PG-STD <100 В м ^-1 . Отрицательные значения PG были исключены, поскольку они связаны либо с местными генераторами (естественная радиоактивность), либо с условиями DW. Кроме того, были исключены значения более 350 В · м ^-1 , или ~ 2,7% распределения, поскольку они были приписаны условиям DW или событиям с высокой концентрацией аэрозоля. Дополнительный фильтр PG-STD> 100 В м ^-1 был применен для исключения любых часовых значений, которые в конечном итоге попали в диапазон 0–350 В м ^-1 в процессе усреднения, хотя они были записаны в условиях DW .Набор FW составил 78% от общего количества почасовых средних за исследуемый период. Здесь мы отмечаем, что такой высокий процент часов FW благоприятен для станции по сравнению со станциями, расположенными дальше на север в Европе.

Метод использования статистики PG в качестве средства для определения условий, при которых она была измерена, и, в конечном итоге, для определения набора FW – PG полезен, особенно для случаев, когда данные об облачности и активности локальных генераторов недоступны в высоком разрешении. и, таким образом, можно использовать классическое определение FW (Israelsson 1978). Так обстоит дело с сайтом Ксанти. Этот метод можно найти в обсерватории Марста (Исраэльссон и Таммет, 2001), геофизической обсерватории Надьченк (Марц и Харрисон, 2003) и в других местах (О’Коннор, 1976; Бернс и др., 2005) с критериями, настроенными для каждого участка.

Суточные и сезонные вариации PG

Суточные вариации FW – PG демонстрируют две характерные модели: одиночные и двойные пики (Chalmers 1967). Единственный пик (кривая Карнеги) наблюдается в средах, в которых наблюдаются локальные эффекты (например,g., загрязнение) низки или отсутствуют, например, океанические (Харрисон, 2013), полярные (Сиинг и др., 2013), горные вершины [например, пик Ванк (Рейтер, 1974)] и удаленные изолированные участки [например, Эскдалемюр (Харрисон, 2003; Харрисон) 2004a)], изображающие глобальную грозовую активность. Более того, на некоторых станциях зимой, особенно в высоких широтах, наблюдается единственный пик (Исраэльссон и Таммет, 2001; Харрисон, 2004b), что свидетельствует о высокой корреляции с кривой Карнеги. Двойной пик наблюдается на континентальных станциях (Retalis и Retalis 1997; Harrison and Aplin 2002) и обычно синхронизируется с местным временем и интенсивностью местных эффектов (Chalmers 1967), в то время как сигнал GEC не всегда очевиден и усредняется по одному или требуется несколько недель для показа (Долезалек, 1972).

Среднее суточное изменение FW – PG в Ксанти имело типичный континентальный ход, характерный для двойного пика (рис. 3). Первичный максимум был очевиден между 11:00 и 12:00 LT, а вторичный максимум — в 21:00 LT; соответствующие предыдущие минимумы появились в 5:00 и 18:00 LT соответственно.

Рис. 3

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) и всепогодное (AW) –PG за период с июня 2011 г. по май 2012 г. Столбики ошибок обозначают стандартные ошибки для каждого часа . Вверх и стрелки вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца, соответственно

Тенденция к увеличению FW – PG в утренние часы и следующий за ним первичный максимум около полудня объясняется местными факторами, а именно «эффектом восхода солнца» и аэрозолями.

Эффект восхода солнца был подробно описан Marshall et al. (1999), которые уделяли особое внимание реакции PG на транспозицию положительного пространственного заряда. Другие авторы (Ло 1963; Чалмерс 1967; Камра 1982) также упоминали эффект восхода солнца, среди которых Камра (1982) и Ло (1963) наблюдали изменение знака пространственного заряда с отрицательного на положительный в момент восхода солнца, совпадающее с увеличением PG. .По данным Marshall et al. (1999), начало утренней конвекции, вызванной солнечным нагревом, приводит к разрушению неглубокого положительно заряженного слоя (электродного слоя), который образовался за ночь и покрывает самые первые дециметры земли (Crozier 1963). Разбавление электродного слоя сразу после восхода солнца из-за увеличения турбулентности постепенно переносит все больше и больше положительных зарядов по EFM, в конечном итоге усиливая PG (Marshall et al. 1999). Со временем механизм ослабевает, и пограничный слой становится хорошо перемешанным (Moore et al. 1962 г.). Увеличение PG, связанное с эффектом восхода солнца, может еще больше усилиться на нашем участке из-за расположения станции на склоне горной местности и возможности образования ячеек с замкнутой циркуляцией долинных или наземных бризов. В этом случае электродный слой, который образовался на поверхности горы в течение ночи, также разбавляется после восхода солнца, и после подъема по склону положительные заряды могут переноситься через EFM через циркуляцию возвращающихся элементов. Значение эффекта восхода солнца на утреннем пике также подчеркивалось в исследованиях для других станций, независимо от характера участка, включая типичный континентальный (Retalis and Retalis 1997), тропический континентальный (Latha 2003) или тропический остров (Kumar et al. al.2009 г.).

Аэрозоли оказывают непосредственное влияние на локальную проводимость, действуя как центры рекомбинации для ионов; в то же время аэрозоли снижают подвижность прикрепленных к ним ионов, тем самым снижая дальнейшую проводимость (Hoppel et al. 1986; Harrison and Carslaw 2003). Уменьшение локальной проводимости, учитывая постоянный ток проводимости между ионосферой и землей, вызывает увеличение PG в соответствии с законом Ома (Jayaratne and Verma 2004). Ожидается, что аэрозоли на нашем сайте будут иметь повышенную арифметическую концентрацию на уровне земли с утра до полудня, таким образом увеличивая PG.Повышенный уровень аэрозолей объясняется увеличением дорожного движения к югу от станции. Воздействие аэрозолей на PG еще более усиливается из-за направления ветра, обычно дующего в это время с юго-востока на юго-запад, который переносит больше аэрозолей в сторону прибора EFM. Следовательно, на нашей станции возможно, что южный ветер и встречное движение по дорогам, которые становятся более интенсивными после 9: 00–10: 00 LT, привели к большей концентрации аэрозоля вокруг станции и следовали за эффектом восхода солнца.Этот процесс, возможно, спровоцировал постоянное возрастающее влияние на PG, которое в конечном итоге достигло максимума в 11: 00–12: 00 LT.

Дополнительным фактором, который может способствовать утреннему увеличению PG, является грозовая активность в Азии, которая в то время была максимальной (Harrison 2013; Blakeslee et al. 2014). Вклад этого параметра считается довольно низким по сравнению с вышеупомянутыми факторами, но он упоминается здесь как единственный глобальный фактор, который может воздействовать на локальный первичный максимум PG.

После первичного максимума PG спала и в конце концов достигла минимума в 18:00 LT. Это объясняется усилением конвективных условий ближе к вечеру, что может привести к истощению аэрозоля вблизи земли из-за разбавления. Аэрозоли транспортируются вверх, позволяя восстановить концентрацию ионов. Таким образом, местная проводимость увеличивается, а PG впоследствии уменьшается (Chalmers 1967; O’Connor 1976; Serrano et al. 2006; Silva et al. 2014) в соответствии с законом Ома при постоянном токе проводимости воздух-земля PG = Дж.
_Z / σ _T , где J
_Z — ток проводимости воздух – земля, σ
_T — полная проводимость (Харрисон, 2006). Восходящий перенос аэрозолей постепенно обеспечивает дополнительное подавление PG за счет уменьшения тока проводимости. Поскольку не существует механизма для быстрого удаления аэрозолей, когда они находятся в приподнятом состоянии, увеличивается столбчатое сопротивление, уменьшая ток проводимости воздух-земля (генерирующая сила PG) и, следовательно, уменьшая PG (Харрисон и Беннет, 2007). Учитывая момент минимума PG на нашем участке в 18:00 LT, была отмечена задержка в максимизации столбчатого сопротивления по сравнению с результатами Sagalyn и Faucher (1956), где соответствующий максимум произошел в 15:00 LT.Мы предварительно связываем эту задержку с различиями в адвективных условиях на каждом участке. В частности, максимальное столбчатое сопротивление Sagalyn и Faucher (1956) было получено в периоды низкой адвекции, тогда как на нашем участке адвекция должна была быть относительно высокой из-за расположения станции и, таким образом, изменить столбчатую аэрозольную нагрузку.

Вторичный максимум в 21:00 LT и следующий минимум в 05:00 LT совпадают с соответствующими экстремумами кривой Карнеги в 19:00 и 03:00 UTC, отображая суточные вариации глобальной грозовой активности. Однако оба экстремума восприимчивы к локальным эффектам, которые могут усилить или подавить глобальный сигнал. Условия конвекции, достигшие максимума ранее, которые привели к минимуму в 18:00 LT, постепенно ослаблялись, что приводило к увеличению концентрации аэрозоля у земли и, как следствие, к увеличению PG, как описано выше (Latha 2003). Напротив, постепенный переход к ночной стратификации может вызвать улавливание радона и его дочерних продуктов, что приведет к интенсивным условиям ионизации и созданию отрицательного пространственного заряда (эффект обратного электрода), который в конечном итоге приведет к подавлению PG (Hoppel et al.1986; Латха 2007). Отрицательный объемный заряд может также изменить полярность PG; однако отрицательные значения здесь не рассматривались, потому что в центре внимания находится FW – PG. Воздействие радона при ночной инверсии также может влиять на минимум PG (05:00 LT) в определенные дни. Величину и конкретное время воздействия локальных факторов на глобальный сигнал PG определить нелегко; поэтому необходимы измерения дополнительных переменных, таких как зондирование аэрозолей, наземные аэрозоли, проводимость и радон.

Сравнение величины первичного пика с величиной того, что совпадает с пиком Карнеги, выявило очевидную существенную разницу, так что локальные эффекты преобладают в Ксанти в течение дня в гораздо большей степени, чем глобальные эффекты. Суточный ход AW – PG (рис. 3) следует тому же курсу, что и FW – PG, и большую часть дня он держится ниже кривой FW; это совпадает с поведением PG на других сайтах (O’Connor 1976; Retalis and Retalis 1997).Как видно из его нестабильного суточного цикла, AW – PG испытывает большие колебания, чем FW – PG; этот результат был ожидаемым, потому что были включены условия DW. Сильная почасовая изменчивость также была очевидна из увеличенных стандартных ошибок (SE), где SE = STD / √ n . Хотя n не является одинаковым для всех часов, он достаточно высок, чтобы гарантировать сопоставимые SE. Усиленный SE показал ярко выраженную интенсивность между 11:00 и 21:00 LT. В тот же период молниеносная активность усиливается над Грецией (Chronis 2012) и Ксанти, последний демонстрирует самые высокие уровни керауны в стране (Mazarakis et al. 2008 г.). Грозовая активность максимальна между 16:00 и 17:00 LT (Chronis 2012), что совпадает с наибольшей разницей двух кривых, что, в свою очередь, указывает на значительное существование условий, не связанных с FW, в AW, установленном в эти часы (O ‘ Коннор 1976). Подобные различия между двумя кривыми также были очевидны в определенные ночные часы, хотя условия, не связанные с FW, здесь, скорее всего, связаны с естественной радиоактивностью. Следовательно, хотя AW – PG обычно следовал типичным двухпиковым суточным колебаниям, условия DW на нашем участке были достаточно интенсивными и возникали часто, что приводило к тому, что минимумы и максимумы кривой были значительно более размытыми, чем у FW – PG.

Все месяцы следовали общей схеме, описанной выше, хотя в некоторых случаях оба экстремума не были очевидны (рис. 4). В теплые месяцы с июня по октябрь первичные максимумы PG наблюдались в 10: 00–11: 00 LT, тогда как в холодные месяцы с ноября по январь соответствующие максимумы переносились на 12: 00–14: 00 LT. Это перемещение объясняется более ранним возникновением конвективных условий в теплые месяцы и последующей более ранней активацией эффекта восхода солнца (Latha 2003) и согласуется с результатами на других континентальных участках (Retalis and Retalis 1997).В оставшиеся месяцы, с февраля по май, поведение было промежуточным, с максимумом в 11: 00–12: 00 LT. Вторичный максимум не ясен каждый месяц, что свидетельствует о влиянии локальных факторов на PG в момент максимизации глобальной грозы. Однако, когда вторичный максимум был очевиден в августе, сентябре, январе и мае, он произошел в пределах ± 1 часа от максимума кривой Карнеги в 19:00 UTC. Разница во времени может быть связана с сезонностью местных факторов, таких как аэрозоли, региональные изменения в распределении грозы, которые могут нарушить типичный цикл GEC (Харрисон 2004a), или ионосферные возмущения (Харрисон 2004b).Наконец, два минимума не показали сезонности и были сосредоточены в 05:00 и 18:00 LT, соответственно. Поскольку месяцы, показывающие вторичный пик, охватывают весь год, этот эффект не является исключительно сезонным. Можно предположить, что это результат комбинации нескольких влияющих факторов, таких как излучение радона, турбулентность, концентрация и распределение аэрозолей по размерам. Однако в отсутствие соответствующих данных такие предположения могут быть только умозрительными.

Рис. 4

Среднее суточное изменение ясной погоды (FW) –потенциальный градиент (PG) для каждого месяца с июня 2011 года по май 2012 года.Месяцы выровнены по сезонам. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Сезонный ход FW – PG, наблюдаемый в период с февраля 2011 г. по декабрь 2014 г., с максимумами (минимумами) в холодные (теплые) месяцы (рис. 5), согласуется с результатами на других континентальных участках северного полушария ( Чалмерс 1967; Исраэльссон и Таммет 2001; Беннетт и Харрисон 2007a). Концентрации ядер Айткина у земли, которые действуют как конечный сток для малых ионов вблизи земли, максимизируются в холодные месяцы из-за пониженного вертикального перемешивания атмосферы (Adlerman and Williams 1996 и ссылки в нем). В холодные месяцы от отопления в населенных пунктах увеличивается количество аэрозолей. Однако этого факта недостаточно для объяснения повышенных концентраций аэрозолей у земли зимой, потому что основные источники тепла в окрестностях, в том числе город Ксанти и деревня Кимерия, не находятся с подветренной стороны от преобладающего направления ветра, встречающегося на участке. . Кроме того, в Греции пиковые концентрации столбчатых аэрозолей обычно достигаются весной / летом; с точки зрения интенсивности источников, летом также существуют дополнительные источники.С точки зрения загрязнения атмосферы высота пограничного слоя (BLH) является основным фактором концентрации аэрозолей у земли. Это происходит потому, что на средиземноморских участках, расположенных на той же широте, что и наш участок, BLH в летнее время может быть в разы даже в 10 раз больше, чем зимой, из-за уменьшения конвекции зимой (например, Georgoulias et al. 2009). Большое количество ядер Айткина очень эффективно снижает концентрацию мелких ионов, которые доминируют в электропроводности воздуха, что приводит к уменьшению локальной проводимости и, как следствие, к максимизации PG. Обратное происходит в теплые месяцы, когда пограничный слой значительно глубже, чем зимой, и таким образом улавливает аэрозоли, находящиеся близко к земле. Вышеупомянутый механизм также согласуется с более ранними измерениями атмосферных ионов, проведенными в Афинах (Retalis 1983; Retalis et al. 2009). Эти измерения показали максимальные (минимальные) концентрации малых ионов летом (зимой). Напротив, большие ионы, которые положительно коррелируют с загрязнением и действуют как дополнительный сток для малых ионов, следовали противоположной тенденции: тенденции PG (Retalis and Retalis 1997).

Рис. 5

Долгосрочная вариация ясной погоды (FW) — градиент потенциала (PG) за период с февраля 2011 года по декабрь 2014 года. Среднемесячные значения были рассчитаны на основе средних почасовых значений. Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Следовательно, долгосрочные вариации FW – PG на нашем участке, который является типичным континентальным участком в северном полушарии, объясняется сезонностью концентрации наземного аэрозоля. Вариабельность сроков экстремальных явлений и колебания в течение месяцев между максимумом и минимумом могут быть отнесены к факторам, влияющим на концентрацию аэрозоля, таким как вертикальное перемешивание, и вероятным глобальным изменениям грозовой активности.

Локальные и глобальные эффекты

Наблюдения за GEC с одной континентальной станции — сложная задача, потому что, как упоминалось ранее, местные эффекты, такие как аэрозоли и космический заряд, могут полностью маскировать глобальные вариации (Rycroft et al. 2008). Однако локальные эффекты либо минимизируются в определенные периоды, либо существенно не меняются во времени, что позволяет наблюдать глобальные сигналы (Harrison 2004b). Попытка идентифицировать такие периоды для нашего сайта представлена ​​здесь путем сравнения FW – PG с кривой Карнеги (Rycroft et al.2008 г.).

GEC не всегда следует типичной кривой Карнеги из-за таких условий, как вариации грозовой активности и ионосферные возмущения; поэтому следует избегать строгих выводов, вытекающих из любого сравнения с кривой Карнеги (Harrison 2004b). Однако кривая Карнеги широко используется в качестве основного инструмента для определения периодов, в которых PG отражает вариацию GEC, при условии, что данные PG усредняются за достаточно длительный период (Rycroft et al. 2008).Так обстоит дело в текущей рукописи. Кроме того, хотя Харрисон (2013) сообщил о предельной широтной зависимости PG, эффект широты влияет на абсолютные значения PG. Сравнение местного PG с кривой Карнеги было проведено в настоящем исследовании с использованием соответствующих процентных значений средних. В результате такие влияния были устранены. FW – PG следует параллельным курсом к глобальным изменениям, при этом его минимум в 03:00 UTC и вторичный максимум в 19:00 UTC совпадают с экстремумами кривой Карнеги; однако срыв был очевиден во время развития первичного максимума в 04: 00–16: 00 UTC (рис.6). При оценке различий между двумя циклами (DPG = FW – PG, Xanthi как процент от среднего — кривая Карнеги PG как процент от среднего) наибольшее отклонение от кривой Карнеги происходит между 8:00 и 12:00 UTC, с максимальная разница 58% в 9:00 UTC. Это связано с эффектом восхода солнца и аэрозолями, как обсуждалось ранее. В течение 14: 00–16: 00 UTC PG на нашем участке опустился ниже кривой Карнеги, создав отрицательный DPG. Это проседание может быть связано с максимизацией условий конвекции, что вызвало увеличение столбчатой ​​аэрозольной нагрузки и последующее уменьшение тока проводимости и PG в соответствии с законом Ома (Серрано и др.2006 г.). DPG оставался отрицательным в течение 16: 00–4: 00 UTC, время, когда PG следовала той же тенденции, что и кривая Карнеги ( r = 0,98, p <0,01), но постепенно уменьшалась по величине в течение ночи. Постепенное подавление пограничного слоя и связанная с этим стратификация атмосферы, которая следовала за пиком конвективных условий, возможно, еще больше усилили улавливание радона (Latha 2007). Последнее может вызвать увеличение отрицательного пространственного заряда над EFM, тем самым уменьшая PG (Israelsson and Tammet 2001).Когда переход к ночной стабильности был завершен, изменчивость факторов, которые могли вызвать большие колебания PG, таких как аэрозоли и радон, была уменьшена, что позволило PG внимательно следить за вариацией Карнеги. DPG между 21:00 и 04:00 UTC упал ниже 25%; что в 01: 00–04: 00 UTC упало ниже 15%, которые считались наиболее предпочтительными часами в течение дня для наблюдений GEC на нашем сайте. Считалось, что те же часы (01: 00–04: 00 UTC) благоприятно отражают наблюдения GEC на континентальной станции геофизической обсерватории Надьченк в Венгрии (Märcz and Harrison 2003).

Рис. 6

Среднее суточное изменение Ксанти «ясная погода» (FW) –потенциальный градиент (PG) с июня 2011 г. по май 2012 г. и стандартная кривая Карнеги. Каждая кривая представлена ​​в процентах от ее среднего значения. Данные стандартной кривой Карнеги (круизы IV, V и VI) были взяты из таблицы II Харрисона (2004c). Вверх и стрелки вниз обозначают среднее время восхода и захода солнца, соответственно

Чтобы определить, какие месяцы меньше отклоняются от кривой Карнеги и, таким образом, более подходят для наблюдений GEC, DPG между двумя суточными вариациями были рассчитаны заново для каждого месяца с июня 2011 года по май 2012 года (рис. 7). Холодные месяцы с октября по март, за исключением ноября, демонстрировали отклонения от кривой Карнеги от низких до умеренных в течение всего дня, тогда как в теплые месяцы с апреля по сентябрь наблюдались большие различия, которые не ограничивались моментами первичного максимума, но также наблюдались во второй половине дня и в начале дня. вечер (рис.7). Такая тенденция снова связана с атмосферной конвекцией, которая в теплые месяцы усиливается. В холодные месяцы атмосфера более стабильна, что приводит к более низким суточным колебаниям концентраций аэрозоля и радона.Это означает, что также уменьшаются изменчивость столбчатого сопротивления и локальной проводимости; таким образом, ионосферные изменения, вызванные глобальной грозовой активностью, могут быть показаны на дневной диаграмме PG. Холодные месяцы также предпочтительны для наблюдений GEC на других континентах (Israelsson, Tammet 2001; Märcz and Harrison 2003; Harrison 2004a; Harrison 2004b; Serrano et al. 2006), в которых ответственным механизмом снова считается сезонность атмосферной конвекции. Отклонение ноября от общей картины холодных месяцев в течение большей части дня можно объяснить усилением атмосферного перемешивания или временным усилением местных факторов, таких как аэрозоли и объемный заряд.

Рис. 7

Разница между хорошей погодой (FW) и градиентом потенциала (PG) в Ксанти и стандартной кривой Карнеги (DPG). DPG представлен как процентная разница от среднего значения в разные месяцы и время суток за период с июня 2011 г. по май 2012 г.

PG и атмосферный CO

₂

Значение микрометеорологии в атмосферном электричестве давно установлено (Israelsson and Oluwafemi 1975), и были проведены исследования корреляции микрометеорологических элементов с PG (Law 1963; Barlow and Harrison 1999; Latha 2007 ).Здесь обсуждается использование атмосферного CO ₂ в качестве индикатора стратификации при оценке PG. Хотя CO ₂ и PG — две переменные совершенно разной природы, на обе они влияют конвективные условия; таким образом, для интерпретации суточного цикла PG используется общий элемент.

На рис. 8 представлены среднесуточные вариации общих значений PG и CO ₂ за период с июня 2011 года по май 2012 года. Используемые здесь значения PG были получены из набора данных AW, за исключением дней с дождем и дней. когда | PG | > 1 кВ м ⁻¹ , последнее указывает на существование сильно заряженных облаков (Bennett and Harrison 2007b).Вышеупомянутые значения были исключены, поскольку они относятся к нарушенным условиям, которые доминируют в вариациях PG без влияния на CO ₂ . Сравнение двух циклов показало обратную связь между PG и CO ₂ ( r
² = 0,36, p значение <0,01), несмотря на изменчивость необычных движущих факторов, таких как аэрозоли, объемный заряд, GEC, фотосинтез и транспирация в течение дня (рис. 8).

Фиг.8

Среднее суточное изменение градиента потенциала (PG) и атмосферного CO ₂ за период с июня 2011 года по май 2012 года. Значения PG были получены из набора данных о всепогодных (AW) условиях, исключая дни, когда выпадало количество осадков или | PG | > 1 кВ м ⁻¹ . Планки погрешностей обозначают стандартную ошибку

Ночью, в 21: 00–06: 00 LT, стратификация в атмосфере ограничивала вертикальное перемешивание, что позволяло улавливать радон, что в конечном итоге привело к снижению PG за счет формирования отрицательного пространственного заряда (Latha 2007), в то время как CO ₂ концентрации достигли максимума из-за дыхания и отсутствия фотосинтеза.После 6:00 LT начало условий утреннего перемешивания привело к разбавлению пространственных зарядов, и начался фотосинтез, таким образом увеличивая PG и снижая концентрацию CO ₂ . Между 12:00 и 16:00 LT обе кривые следовали параллельной нисходящей тенденции по мере того, как вертикальная конвекция постепенно увеличивалась до максимума, еще больше разбавляя CO ₂ и уменьшая PG за счет увеличения столбчатого сопротивления и последующего уменьшения атмосферы и земли. Текущий. Последний механизм, относящийся к PG, действовал до 18:00 LT.В течение 16: 00–21: 00 LT CO ₂ увеличился из-за постепенного перехода к ночной стратификации и усиления источников CO ₂ , таких как транспирация. PG показывает свой вторичный минимум в 18:00 LT, а затем увеличивается параллельно тренду CO ₂ , представляя глобальную грозовую активность.

Поздний день и ранняя ночь, 18: 00–00: 00 LT, вызвали особый интерес. В то время ожидался пик глобального сигнала, и одновременная эволюция стратификации могла изменить или полностью замаскировать планетарный эффект за счет улавливания радона.

В качестве примера можно привести PG, CO ₂ , DΤ (DT = T
_{2,5 м} — T
_{1,5 м} ), а WS в 1-минутном временном ряду были исследованы за 1–3 мая 2012 г. (рис. 9). Следует отметить, что в те дни облачность была <1/10, а WS была <5 и <4 м с ⁻¹ в большинстве случаев, что уменьшало вероятность воздействия на PG – CO ₂ сравнение из-за необычных факторов, таких как заряженные облака и унесенная пыль.

Рис. 9

Наблюдения градиента потенциала (PG), CO ₂ , скорости ветра (WS) и вертикального градиента температуры (DT = T
_{2,5 м} — T
_{1,5 м} ) в период с 1 по 3 мая 2012 г. Данные представлены с разрешением 1 мин. PG и CO ₂ представлены в процентах от соответствующего среднего значения за 3 дня. Вертикальные пунктирные линии обозначают восход и закат

Описывая электродный эффект, Ло (1963) объяснил, что под влиянием FW-PG положительные ионы движутся к земле, а отрицательные ионы отталкиваются от земли, что создает дефицит отрицательных ионов и образование положительно заряженных ионов. заряженный слой близко к земле (электродный слой).В нетурбулентных условиях, таких как те, которые обычно преобладают в ночное время, электродный слой подавляется до глубины порядка нескольких дециметров (Crozier 1963). В случаях интенсивной ионизации, например, при высокой концентрации радона, вызванной улавливанием в условиях ночной стратификации, образовавшиеся отрицательные заряды уходят от уровня земли и поднимаются над неглубоким электродным слоем, таким образом обращая электродный эффект и образуя отрицательный объемный заряд (перевернутый электрод слой), что впоследствии снижает PG (Latha 2007).

Приземный CO ₂ и радон сильно зависят от атмосферного смешения. Таким образом, использование CO ₂ в качестве индикатора улавливания радона и, следовательно, изменчивости PG в ночных нетурбулентных условиях является разумным предположением. Ло (1963) заметил, что отрицательный объемный заряд, создаваемый естественной радиоактивностью в ночное время, тесно связан с градиентом температуры и увеличивается с увеличением стабильности, что, в свою очередь, увеличивает концентрацию CO ₂ .

PG и CO ₂ были обратно коррелированы в ночное время в течение всех 3 дней (рис. 9). Это может быть связано с перевернутым электродным слоем, образовавшимся (разбавленным) при сильной (слабой) стратификации, и соответствующим увеличением (уменьшением) радона и CO ₂ . Ожидается, что незначительные отклонения от этой обратной зависимости будут происходить в основном из-за влияния адвекции аэрозоля или пространственного заряда на PG. Здесь мы отмечаем, что, хотя стабильные ночные условия могут вызвать эффект обратного электрода, тем самым скрывая сигнал GEC, период 01: 00–04: 00 UTC по-прежнему кажется лучшим периодом для наблюдения сигнала GEC на месте (рис.7). Это может быть связано с тем, что эффект обратного электрода достигает установившегося состояния к 01 UTC (03 LT), таким образом добавляя постоянное смещение к PG и позволяя впоследствии минимизировать DPG.

Глобальные колебания PG, ожидаемые между 18:00 и 00:00 LT, не проявлялись каждый день (рис. 9). 1 мая PG показала часть вариации GEC только при нарушении условий штиля (WS> 0,5 м ⁻¹ ), что прервало относительно сильную стратификацию (DT> 0. 5 ° C) при одновременном снижении CO ₂ . После этого короткого периода условия штиля вернулись, что привело к повышенной устойчивости (DT увеличивается), что привело к увеличению CO ₂ и уменьшению PG. Следующей ночью, 2 мая, стабильность развивалась без каких-либо серьезных нарушений до пика GEC в 21:00 LT, за исключением короткого периода сразу после захода солнца, когда расслоение немного ослабло. В течение этого короткого периода PG плавно увеличивался, реагируя на колебания GEC, тогда как скорость увеличения CO ₂ была временно снижена.После этого периода CO ₂ продолжил резко увеличиваться и достиг максимума, тогда как PG значительно снизился, изменив полярность, и не показал глобального сигнала. В последнюю ночь, 3 мая, началась ночная стратификация, которая развивалась без помех, вызывая монотонное увеличение CO ₂ и полностью маскируя GEC. PG оставался низким и временами достигал отрицательных значений.

Развитие PG и CO ₂ в те ночи, особенно когда ожидался сигнал GEC, предполагает, что, когда CO ₂ стабильно увеличивается и имеет высокие концентрации, PG подавляется и наблюдение GEC невозможно. Следовательно, изменения CO ₂ в течение стабильных ночей могут быть дополнительно использованы для классификации дней как подходящих или непригодных для мониторинга GEC, при условии отсутствия факторов, которые могут исключительно изменить PG, таких как заряженные облака над головой и аэрозоли. Кроме того, одноточечные измерения CO ₂ могут использоваться в качестве прокси турбулентности и могут дать информацию об эволюции электрических свойств атмосферы (т. Е. PG). Таким образом устанавливается связь между микрометеорологией, атмосферными газами и атмосферным электричеством.

Влияние напряженности электрического поля на микроструктурные характеристики Эволюция метилвинилсиликонового каучука с помощью молекулярного моделирования

Abstract

Во время передачи сверхвысокого напряжения (СВН) разряд, вызванный электрическими полями высокой интенсивности, усугубляет процесс старения используемых внешних изоляционных материалов для композитных изоляторов. Микроструктурные характеристики полимера основного материала — метилвинилсиликонового каучука — являются ключевой основой характеристик изоляционных материалов при воздействии электрического поля.На основе моделирования молекулярной динамики была создана молекулярная модель метилвинилсиликонового каучука. Механизмы, влияющие на эволюцию микроструктуры под действием электрических полей, изучены на атомном уровне. Результаты показали, что начальные характеристики реакции молекул силиконового каучука включают сильную вибрацию всех атомов метила и винила и сокращение химических связей. Соседние группы были близки друг к другу и генерировали разное количество -Si-Si- связей.Это способствовало спиральной усадке молекулы и выступу середины молекулы, которая имела форму перевернутой буквы U. Сильное электрическое поле значительно уменьшило общую энергию молекул, и в частности потенциальная энергия была разрушена сильнее, что привело к деградации ее структуры. Кроме того, с увеличением напряженности электрического поля модуль упругости молекулы постепенно увеличивался. Было показано, что высокие электрические поля увеличивают жесткость силиконового каучука и повышают хрупкость, что снижает механические свойства материалов, ускоряя его старение.Результаты обеспечивают теоретическую основу для установления связи между внешним видом и макро-характеристиками материалов, а также справочные значения для оптимизации основных материалов, используемых для изготовления композитных изоляторов.

Ключевые слова: композитный изолятор , метилвинилсиликоновый каучук, молекулярная динамика, электрическое поле, модуль упругости

1. Введение

Поскольку композитные изоляторы обладают отличными характеристиками, они имеют очевидные преимущества при выборе внешней изоляции для сверхвысокого напряжения сверхвысокого напряжения. проекты передачи [1].Однако поверхность композитных изоляторов в проектах сверхвысокого напряжения будет сталкиваться с сильными электрическими полями. Из-за более длинных изоляционных расстояний напряженность поля на стороне высокого напряжения более концентрированная [2]. Постоянно концентрированные сильные электрические поля вызывают серьезное повреждение электрических и механических свойств композитных изоляторов, что может деформировать или даже растрескивать полимерную структуру силиконового каучука [3] и, как следствие, его химическую структуру, твердость, эластичность и другие физико-химические свойства. могут быть изменены [4].Видно, что в условиях сильного электрического поля сверхвысокого напряжения не следует недооценивать проблемы старения композитных изоляторов.

В большинстве случаев исследователи изучали композитные изоляторы, выдержанные в экспериментах с электрическим полем. В [5] показано, что поле с высоким постоянным напряжением разрывает химические связи на поверхностях изолятора и в дальнейшем влияет на гидрофобность их поверхностей. Liang et al. в Университете Цинхуа [6,7,8] считают, что изменения химической структуры силиконовой резины, состаренной коронным разрядом, являются прямой причиной изменения ее характеристик.В [9] показано, что плотность улавливания силиконового каучука значительно увеличивается с увеличением времени старения в коронном разряде, а также меняются многие химические группы на поверхности. Tu et al. [10] выполнили моделирование электрического старения композитных изоляторов и обнаружили, что чем выше напряженность электрического поля, тем хуже гидрофобность на поверхности.

Текущие исследования в основном сосредоточены на разрядном старении изоляционных материалов, вызванном увеличением электрических полей. Процесс старения материалов варьируется от количественных до качественных.Однако в вышеупомянутых исследованиях редко изучалась структурная эволюция материала при увеличении напряженности электрического поля. Когда материал изначально помещается в увеличивающееся электрическое поле, изменение характеристик внутренней структуры является ранней стадией разрядного старения и дальнейшей деградации. Вышеупомянутые исследования определяли и анализировали состояние старения материалов на основе макроскопических характеристик, которые являются совокупным результатом микротехнических характеристик материала, но изменения микротехнических характеристик трудно наблюдать непосредственно из экспериментов.

Из-за ограниченности экспериментальных средств метод молекулярного моделирования привлек больше внимания и получил широкое распространение, особенно в области микротехнологий в области материалов, где был достигнут ряд замечательных достижений. Например, метод моделирования был применен в процессе разложения целлюлозы масляной бумажной изоляции Liao et al. [11,12]. С помощью этого исследования они изучили диффузионное поведение влаги и кислоты в изоляционной бумаге во время последующих работ.Китайские профессора Ван [13], Ли и Чжан [14,15,16] и др. провели молекулярное моделирование целлюлозы при различных температурах для анализа механизма пиролиза изоляционной бумаги. Основываясь на высокой эффективности реакции Reax FF [17], процесс высокотемпературного растрескивания изоляционной бумаги был смоделирован в литературе [18]. Начальная стадия пиролиза фенольной смолы моделировалась в [19] при различных температурах. Кроме того, Paavilainen et al. [20] и ссылки [21,22] исследовали влияние температуры на водородные связи и связанные с ними свойства молекулярных цепей в целлюлозных структурах. В [23] изучен процесс плавления β -кристобалита в различных электрических полях. Факторы влияния на динамическую стабильность полимера изучались в [24,25]. Модель расчета функционала плотности целлюлозы была подробно исследована в [26]. Очевидно, что макроскопические характеристики и основные правила систем могут быть получены методом молекулярной динамики для дальнейшего изучения законов движения микромолекул [27].

Самым используемым основным полимером для композитных изоляторов в стране и за рубежом является метилвинилсиликоновый каучук (MVQ) [28].На основе теории молекулярной динамики была создана молекулярная модель MVQ. Исследован процесс эволюции микроструктуры силиконового каучука при различной напряженности электрического поля. Статистически проанализированы изменения родственных характеристик и химических связей. Затем были подробно проанализированы законы эволюции механических свойств. На атомном уровне раскрыт первоначальный механизм реакции силиконового каучука в электрическом поле.

2. Расчет параметров и базовая модель

2.1. Расчет параметров

Поскольку электрическое поле играет ключевую роль в свойствах силиконового каучука, электростатическое взаимодействие рассчитывается методом суммирования Эвальда. В этом методе каждая частица взаимодействует с зеркальным отображением всех других частиц в симуляторе и всех частиц в окружающей решетке. Также предполагается, что каждая частица окружена распределением нейтрализованного заряда с одинаковым зарядом противоположного знака. Таким образом, электростатическое взаимодействие является суммой взаимодействия между функциями Гаусса ( E _Gauss ), реальным пространством ( E _{реальным пространством} ), обратным пространством ( E _{обратным пространством} ) и скорректированный член энергии ( E _corr ) распределения Гаусса [29], как показано уравнением (1):

E = Ereal-space + Erecip-space + EGauss + Ecorr = 12∑i = 1N ∑j = 1N {+ ∑n = 0∞qiqjerfc (α | rij + n |) | rij + n | + ∑k ≠ 04πqiqjk2L3exp (−k24α2) cos (k⋅rij) −απ∑k = 1Nqk2 + 2π3L3 | ∑ k = 1Nqkrk | 2,

(1)

В формуле N — заряженные частицы, q — количество заряда, r — расстояние между частицами, L — длина стороны симулятора, k = 0, 1, 2,…, α является константой, и ее обычный объем вычислений составляет порядка N ² , n — координаты зеркального бокса.

Были рассчитаны основные характеристики молекулярной цепи, такие как потенциальная энергия, кинетическая энергия, кинетические константы и длины связей. Чтобы изучить взаимосвязь с макроскопическими характеристиками силиконового каучука, были также рассчитаны параметры модуля упругости. Объемный модуль, модуль сдвига и модуль Юнга являются важными показателями, отражающими способность материалов противостоять упругой деформации. Чем больше значения, тем больше жесткость. Значения также связаны с химической структурой, составом, микроструктурой и температурой материалов.На основе значений модуля Юнга и модуля сдвига, полученных в результате моделирования, и в соответствии с выводом закона Гука, постоянная упругости и модуль объемной упругости были рассчитаны в сочетании с уравнениями (2) и (3):

В формулах, E — константа упругости, G, — модуль сдвига, K — модуль объемной упругости и v — коэффициент Пуассона.

2.2. Молекулярная структура

Основным материалом MVQ является полиметилвинилсилоксан, который представляет собой высокомолекулярный сополимер сегментов цепи диметилсилоксана и метилвинилсилоксана. Молекулярную структуру можно увидеть на. Молекулярная цепь состоит из мостиковых связей -Si-O-Si-, в то время как атомы Si в основном связаны с -CH ₃ , а небольшое количество ненасыщенных групп вводится в боковые цепи, например -CH = CH ₂ . Межмолекулярные силы невелики, а расположенные наружу метильные группы могут свободно вращаться, поэтому силиконовый каучук обладает определенной степенью гидрофобности.

Молекулярная структура полиметилвинилсилоксана.

2.3. Молекулярная модель и оптимизация

Молекулярная масса Mr MVQ составляет: (4.0 ~ 6.0) × 10 ⁵ . Непрактично моделировать 400 ~ 800 тысяч молекул и проводить моделирование при различной напряженности электрического поля. Однако степень полимеризации была слишком мала, чтобы отражать основные характеристики полимера. Некоторые ученые предположили, что существуют крупнозернистые модели, позволяющие моделировать длинные полимерные цепи [30,31]. Чтобы тщательно изучить изменения длины и движения атомных связей и т. Д., Была создана молекулярная модель силиконового каучука MVQ, содержащего 237 атомов со степенью полимеризации 10, как показано на рис.

Исходная молекулярная модель. O: красный, Si: желтый, C: серый, H: белый.

Для моделирования эволюции молекулы при комнатной температуре поле было установлено равным 298 К. Более того, в модели не учитывались другие наполнители или примеси. На основе программного обеспечения Materials Studio силовое поле Forcite / COMPASS использовалось для оптимизации геометрии молекул и минимизации энергии. Силовое поле COMPASS включает в себя многие ab initio расчеты квантовой механики и имеет множество параметров для металлов и оксидов металлов.Более того, это первое высококачественное молекулярное силовое поле, которое объединяет органические и неорганические молекулярные параметры в одном силовом поле. Его правильность подтверждена в общей сложности 28 молекулами одиночных молекул, молекулами жидкости и молекулами кристаллов [11]. 20 000 шагов были выбраны для оптимизации геометрии, и 5000 шагов были использованы для оптимизации минимизации энергии. Шаг по времени — 1 фс. Целью оптимизации молекулы является получение более стабильной молекулярной структуры.Расчетный метод электростатики основан на атомах Эвальда и Ван-дер-Ваальса. Ансамбль NVT выбран для получения необходимой среды моделирования. Его эффективность доказывается [11,12,13,19,20]. После оптимизации молекулярная цепочка сжимается внутрь и приобретает изогнутую форму, как показано на. Размер коробки цепи составляет 13,5 Å × 13,5 Å × 13,5 Å с расстоянием отсечки 6,5 Å. Для удобства обозначения изменений молекулярной цепи прямоугольник был удален.

Оптимизированная молекулярная структура.

Как видно из, молекулярная энергия силиконового каучука значительно изменяется после оптимизации. Когда общая потенциальная энергия, энергия связи, энергия Ван-дер-Ваальса, электростатическая энергия и т. Д. Уменьшаются настолько сильно, что текущая молекулярная структура считается стабильной для дальнейших расчетов. Поэтому на основе метода суммирования Эвальда часть зарядов атомов показана в.

Таблица 1

Молекулярная энергия до и после оптимизации.

9048 9048 длина 9048

Таблица 2

Atomic Label	Charge (e)
−0,44500
C1	−0,29400
h2	0,05300
Si1	0,62750
Si01 0.71500
Si1	2.80700
C2	−0.35380
C2	−0.25360
h2 90.12680			Расчет молекулярного силового поля Учитывая, что объекты исследования содержат атомы C, H, O, Si, силовое поле Дрейдинга было выбрано для расчета структуры и свойств молекулярных агрегатов, поэтому МД-расчеты проводились при различной напряженности электрического поля с помощью GULP. / Пакет Dreiding.Расчеты проводились для 5000 шагов с шагом по времени 1 фс на скважине при температуре 298 К. Время релаксации составляет 1 пс. Электрическое поле устанавливали в направлении X от 0,001 В / Å до 3 В / Å с интервалом 0,2 В / Å и двумя дополнительными полями 0,01 В / Å и 0,1 В / Å. 3. Результаты и обсуждение 3.1. Расчет молекулярного силового поля показывает изменения молекулярной цепи под действием различных электрических полей, в которых направления белых стрелок представляют тенденции сокращения в молекуле.Можно заметить, что молекулярная цепочка силиконового каучука сжимается от двух концов к середине, в результате чего центральный выступ спирали образует перевернутую U-образную форму. Метильные и винильные группы, присоединенные к атомам Si, сильно колеблются, в то время как связи -Si-C- и -Si-O- соответственно вращаются. Связи -Si-Si- образуются на основе связей -Si-O-Si- с образованием треугольной структуры, при этом одновременно происходит резкое изменение длин связей и валентных углов -CH 3 , а также -CH = СН 2 .По мере увеличения напряженности электрического поля появляется значительно сжатая молекула с более очевидной спиральной структурой. Между тем, группы , оборотов больше, и количество -Si-Si- связей постоянно меняется. Мостиковые связи -Si-O-Si- имеют тенденцию к образованию кольцевой структуры с укороченными связями -C-H, и длина молекулы значительно уменьшается. Структурные изменения цепочек молекул под действием различных электрических полей. ( a ) Молекула в 0.Электрическое поле 001 В / Å; ( b ) Молекула в электрическом поле 0,01 В / Å; ( c ) Молекула в электрическом поле 0,1 В / Å; ( d ) Молекула в электрическом поле 1 В / Å. 3.2. Изменения молекулярной энергии Путем статистического анализа полученные тренды общей энергии и потенциальной энергии в каждом прогоне показаны в. Когда напряженность электрического поля меньше 1,7 В / Å, энергия демонстрирует постепенную тенденцию к снижению из-за непрерывного увеличения электрических полей, но тенденция ее изменения была относительно стабильной, что можно рассматривать как переходный период.После того, как поле достигает 1,7 В / Å, в результате уменьшения полной энергии и потенциальной энергии, повреждение силы электрического поля на молекуле становится заметным. Изменения постоянной полной и потенциальной энергии. В то же время, как видно из, система в основном воплощается в интенсивном движении атомов, молекулы не сильно меняются в размерах, за исключением сжатия, поэтому постоянная движения немного увеличивается, достигая максимума при 1,7 В / Å, после чего следует еще один этап непрерывного увеличения.Кроме того, он также может быть получен из стабильного температурного поля с 298 К, ​​кинетическая энергия остается в основном постоянной, поэтому ее изменение относительно невелико. Изменения кинетической энергии и движения. Потенциальная энергия является частью общей энергии, и тенденция ее изменения в основном такая же, как и полная энергия (), что указывает на то, что уменьшение общей энергии в основном вызвано изменениями потенциальной энергии. С изменением законов молекулярной структуры в разделе 3.1 известно, что высокое напряжение электрического поля, очевидно, разрушит молекулярную потенциальную энергию в слабом температурном поле (298 K), что приведет к сжатию спирали и разрушению структуры. 3.3. Изменения внутренней температуры Его можно найти в: внутренняя температура молекулы медленно повышается и падает, затем снова увеличивается при возрастании напряженности электрического поля, но постоянная движения постепенно увеличивается, когда она составляет менее 1,5 В / Å (), атомная увеличивается вибрация и повышается внутренняя температура. Когда электрическое поле далее увеличивается более чем на 1,5 В / Å, более высокая внутренняя температура на ранней стадии вызывает потери энергии молекулы, ослабляя ее атомные колебания, поэтому внутренняя температура уменьшается. Изменения внутренней температуры молекул. Молекулярная структура претерпела значительную деградацию со значительным снижением потенциальной энергии при дальнейшем увеличении интенсивности. Не было сомнений, что способность молекул противостоять внешнему электрическому полю значительно ослаблена, колебания внутренней температуры увеличиваются, что приводит к дальнейшему разрушению потенциальной энергии молекул. 3.4. Число изменений -Si-Si- Поскольку молекулярная цепочка сжимается по спирали, делая два атома Si на связи -Si-O-Si- сближенными друг с другом, связи Si-Si создаются межатомной силой Ван-дер-Ваальса и их собственная измененная энергия.Неравное количество -Si-Si- связей, которые представляют собой распределение точек рассеяния при различной напряженности электрического поля, показано на рис. Количество -Si-Si- связи. Чтобы изучить характер его распределения, на графике распределения проводится аппроксимация кривой (красная кривая в значке). Количество связей показывает функцию полиномиальной регрессии четвертой степени с напряженностью электрического поля, соотношение показано в уравнении (4): Y = A + B1X + B2X2 + B3X3 + B4X4, (4) In Чем меньше напряженность электрического поля, тем интенсивнее начальные движения атомов, поэтому образование -Si-Si- связей затруднено.Следовательно, когда поле меньше 1,3 В / Å, количество -Si-Si- связей постепенно уменьшается с ростом напряженности поля. Наряду с дальнейшим увеличением интенсивности внутренняя температура постепенно снижается, энергия молекул уменьшается более резко, сила движения атомов замедляется, и легко возникает -Si-Si- связи. Более того, с увеличением числа связей спиральное сжатие молекулярной структуры становится более очевидным. Можно видеть, что образование -Si-Si- связей является необходимой стадией в процессе деградации молекулярной структуры, которая будет способствовать дальнейшей деградации молекул. 3.5. Изменения химических связей Как и в исходной статье [32], длина связи является одним из наиболее важных параметров для характеристики молекулярной структуры. Для дальнейшего изучения причин изменения молекулярной структуры и образования связей Si-Si были выбраны некоторые молекулярные цепочки при напряженности электрического поля 0,001 В / Å, 0,01 В / Å, 0,1 В / Å и 1 В / Å. В качестве примеров выбраны связи Si74-Si3, Si117-Si106, Si3-Si1, Si228-Si196 с репрезентативностью. Затем статистически анализируются изменения длины соответствующих связей Si-O и связей Si-C.Отношения между связанными связями и основными химическими связями показаны, а также длины связей. Длина связи в различных электрических полях. ( a ) Длины связи Si74-Si3 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,001 В / Å (справа); ( b ) Длины связи Si117-Si106 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,01 В / Å (справа); ( c ) Длины связи Si3-Si1 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 0,1 В / Å (справа); ( d ) Длины связи Si228-Si196 в электрических полях 0 В / Å (слева) и 1 В / Å. Взяв в качестве примеров связи Si74-Si3 и Si228-Si196, длины связей показаны на. Статистически установлено, что все связи Si-C и Si-O явно укорачиваются, длины связей Si-C сильно различаются, в то время как длины Si-O имеют относительно небольшие изменения. У других облигаций такое же явление. Таблица 3 0,055 9891 Длина связи Длина связи без электрического поля (Å) Длина связи с электрическим полем (Å) Изменение длины связи (Å) Si74-Si3 .001 В / Å) Si3-C6 1.894 1.663 0.231 Si3-C7 1.894 1.751 0.143 Si3-O2 1,647 1,618 0,029 Si74-C78 1,889 1,716 0,173 1,669 0,222 O73-Si74 1,656 1,539 0,117 Si74-O75 1,651 9022 1,651 Å) Si228-C230 667 9048 049 Si228-C229 1.894 1.701 0,193 Si228-C230 1.901 1.702 0,199 1,618 0,049 Si228-O227 1,658 1,603 0,055 Si196-C198 1,844 9048 9048 1,712 0,188 O237-Si196 1,652 1,559 0,093 Si196-O206 1,655 1,606 Под действием полевых напряжений структура молекул силиконового каучука изменилась в сторону эволюции минимизации энергии. Химические связи укорачиваются и высвобождают энергию в новое стабильное состояние. Как упоминается в статье [27], для создания новых связей необходимо преодолеть влияние напряжения электрического поля и электроотрицательности соседних групп путем непрерывного поглощения энергии. Согласно вышеупомянутой статье, связи Si-C и мостиковые связи Si-O-Si высвобождают энергию, когда связи укорачиваются.Одновременно непрерывно сокращаются расстояния между двумя соседними атомами Si. Атомы постепенно сближаются друг с другом из-за полевых напряжений и их притягивающих взаимодействий, поэтому в молекуле возникает явление сжатия. Кроме того, поскольку энергия связи Si-O составляет 460 кДж / моль, энергия связи Si-C составляет 347 кДж / моль, и по сравнению со связью Si-Si, равной 176 кДж / моль, первые две имеют большую энергию связи, а вторая — меньше, но энергия последнего высока, тепло, которое необходимо поглощать во время процесса изменения, мало [33], поэтому связь Si-Si легко генерируется. Из вышесказанного видно, что энергия, выделяемая укороченными связями Si-O и Si-C, в основном способствует образованию связей Si-Si под действием напряжений электрического поля. Кроме того, одна часть энергии молекулы потребляется и рассеивается атомными тепловыми движениями, в то время как другая часть используется для преодоления Ван-дер-Ваальса между атомами для создания новых связей. Вся система поддерживает динамический баланс энергии в любой момент. Следует отметить, что из-за отсутствия эквивалентности времени моделирования и фактического времени старения на месте [11], при кратковременных напряжениях электрического поля энергии связи Si-O, Si-C и CH настолько крупнее, что три вида связей не имеют явных явлений разрушения. 3,6. Изменения модуля упругости Модуль Юнга может характеризовать способность материала сопротивляться деформации. Модуль сдвига — это способность характеризовать сопротивление материалов деформации сдвига. Коэффициент Пуассона — это постоянная пружины, отражающая поперечную деформацию материалов. На основе моделирования основных механических параметров в различных электрических полях вычисляются упругие постоянные. Результаты показаны в. Изменение модуля упругости. С увеличением напряженности электрического поля постоянная упругости имеет наиболее очевидную тенденцию к увеличению.Хотя модуль Юнга сильно колеблется, он также имеет тенденцию к росту. Коэффициент Пуассона и модуль сдвига увеличиваются меньше при более стабильных тенденциях. Постепенно увеличивающийся модуль упругости показывает, что способность силиконового каучука сопротивляться деформации увеличивается, то есть деформация при определенном напряжении меньше, а это означает, что большее электрическое поле увеличивает жесткость материала, увеличивается хрупкость и процесс старения тоже ускоряется. Это явление согласуется с причинами появления трещин из-за старения на поверхности композитных изоляторов во время реальной эксплуатации. Вклад авторов Концептуализация, Ю.Л. и T.G .; Методология, Ю. alexxlab Посмотреть все записи автора alexxlab → Вам также может понравиться Как получить технические условия на газоснабжение на частный дом: Техусловия на подключение газа: порядок получения документов 14.09.202114.11.2020 Время единица измерения в си: Единицы измерения времени 07.07.197025.12.2021 Осциллограф электронный: Осциллограф | Описание, функции, предназначение 23.02.202115.11.2020 Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт