Elektrische Felder

Quelle: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics & Astronomie, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN

Ein elektrisches Feld entsteht durch ein geladenes Objekt (bezeichnet als Quelle kostenlos) in den Raum um ihn herum und steht für die Fähigkeit, elektrische Kraft auf ein anderes geladenes Objekt (bezeichnet als der Test kostenlos) ausüben. Vertreten durch einen Vektor zu einem bestimmten Zeitpunkt in den Raum, ist das elektrische Feld die elektrische Kraft pro Einheit Test kostenlos an diesem Punkt (die Kraft auf eine willkürliche Ladung wäre die Ladung jederzeit das elektrische Feld) platziert. Das elektrische Feld ist grundlegend für Strom und Auswirkungen der Gebühren, und es ist auch eng mit anderen wichtigen Größen wie elektrische Spannung.

Dieses Experiment wird elektrifiziert Pulver in ein Öl verwenden, die Line-up mit elektrischen Feldern produziert von geladenen Elektroden, die elektrischen Feldlinien zu visualisieren. Dieses Experiment wird auch zeigen, wie ein elektrisches Feld induzieren Gebühren und Gebühren wie auf das elektrische Feld zu reagieren, durch Beobachtung der Wirkung eines geladenen Stabes auf einem nahe gelegenen Cola-Dose.

Ein geladenes Objekt erzeugt ein elektrisches Feld in den umgebenden Raum. Nach dem Gesetz der Gauss erzeugt z. B. eine Punktladung Q befindet sich am Anfang ein elektrischen Feldes:

(Gleichung 1)

an jedem Punkt im Raum mit einem Abstand R von der Ladung (im Ursprung R = 0), und die Richtung des elektrischen Feldes ist in der radialen Richtung (Weg von der Ladung Q positiv ist und auf die Ladung Q negativ ist). Eine Sammlung von Gebühren würde ein total elektrisches Feld nach dem Prinzip der Superposition produzieren, nämlich das gesamte elektrische Feld ist die Vektorsumme der elektrischen Felder produziert von individuellen Gebühren. Für eine gleichmäßig geladenen Kugel mit Gesamtladung Q ist das elektrische Feld produziert außerhalb der Sphäre dasselbe wie das elektrische Feld (gegeben durch die Gleichung 1) aufgrund einer punktförmigen Ladung Q in der Mitte der Kugel befindet, während das elektrische Feld im Inneren der Kugel null wäre.

Folgt man der lokalen Richtung des elektrischen Feldes zu verfolgen, das Vektorfeld Linien, diese Linien (deren Tangente spiegelt die örtliche Richtung des elektrischen Feldes, und die Dichte der Linien spiegelt die Stärke des lokalen elektrischen Feldes) sind als "elektrische Feldlinien" bekannt. Sie sind fiktive Linien, die helfen, die Verteilung und die Richtung der elektrischen Feldern zu visualisieren.

Ein elektrisches Feld ist eng mit elektrischen Potential. Ein elektrisches Feld erzeugen würde ein Potenzial Tropfen (oder "Spannungsabfall") entlang der Richtung des Feldes. Umgekehrt ist eine komfortable Möglichkeit, ein elektrisches Feld erzeugen, eine Potentialdifferenz anzuwenden. Zum Beispiel, wenn zwei unterschiedliche Spannungen auf zwei getrennten Leitungen (oder eine ungleich Null Spannung auf ein Dirigent, unter Beibehaltung einer anderen Dirigenten "geerdet" bei Null Spannung) angewendet werden, wird ein elektrisches Feld in den Raum zwischen den beiden Leitern in die Richtung aus der höheren Spannung Dirigent an der unteren Potenzialableiter generiert.

Ein elektrisches Feld (E) wird eine Kraft ausüben,

mit einer Ladung (Q). Die Richtung der Kraft ist dasselbe wie das elektrische Feld für positive q und gegenüber das elektrische Feld für negative Q. Wenn ein Dirigent (z. B. Metall) mit Mobilfunkkosten in einem elektrischen Feld platziert wird, wird das elektrische Feld positive Ladungen "downstream" in Richtung der elektrischen Feld und ziehen Sie negativen Ladungen (z. B. Elektronen) "stromaufwärts" gegenüber der Richtung des elektrischen Feldes, drücken, bis die Ladungen sammeln sich an der Grenze (Oberfläche) des Leiters und können nicht weiter. Dies führt zu einer Trennung von negativen und positiven Ladungen im Leiter in einem elektrischen Feld, ein Phänomen auch bekannt als "Polarisation" durch das elektrische Feld. Auch für Isolatoren, wo Kosten viel weniger mobil als diejenigen in einem Leiter sind, kann eine partielle "Polarisierung" (wo die negativen und positiven Ladungen leicht verschoben werden) in ein elektrisches Feld auftreten. Das elektrische Feld wird versuchen, die Verschiebung von den negativen zu den positiven Ladungen mit der Richtung des Feldes ausgerichtet. Wenn das elektrische Feld räumlich inhomogen ist, so dass die Kräfte auf die getrennten positiven und negativen Ladungen nicht kündigen, wird eine Nettokraft auf eine polarisierte Objekt ausgeübt werden.

(1) elektrische Feldlinien visualisieren

1. Erhalten einen elektrostatischen Generator (z. B. ein handheld statische Grundstücksaussuche oder van der Graff Generator), ein paar Elektroden, die in einer Konfiguration mit konzentrischen Kreisen angeordnet und ein paar Elektroden Parallel zueinander angeordnet.
2. Eine Petrischale oder eine Beobachtung Tank zu erhalten, füllen Sie ihn mit Öl (z.B. Rizinusöl) und elektrifiziert/Kopfprodukt Pulver (z. B. Grieß Samen) in das Öl hinzufügen.
3. Laden Sie die Elektroden mit der parallelen Elektroden Konfiguration auf den Beobachtung Tankhalter. Die zwei Elektroden, die "−" (Erde) und "+" (gegen Gebühr) Klemmen des elektrostatischen Generator, beziehungsweise, wie in Abbildung 1. Die Verbindung kann durch Kabel mit Klemmen hergestellt werden.

Abbildung 1 : Das Diagramm zeigt die Schaltpläne von zwei Kupferdrähten, die an einen elektrischen Generator, die anderen Enden (in Öl getaucht) der Drähte angeschlossen sind mit zwei parallelen Elektroden verbunden.

4. Drehen Sie die Kurbel des Generators die positiven Ladungen auf die Elektrode mit der Klemme "+" verbunden wird. Machen Sie mindestens 5 volle Umdrehungen. Beobachten Sie das Verhalten der Pulver.
5. Verwenden Sie ein Kabel direkt kurz "−" und "+" Klemmen, die Gebühren zu neutralisieren. Trennen Sie die Elektrode von den Anschlüssen.
6. Als nächstes laden Sie die konzentrischen Kreis-Elektrode-Konfiguration auf den Halter und schließen Sie die Elektroden an die Klemmen des Generators wieder an, wie in Abbildung 2dargestellt. Rühren Sie das Öl in der Schale der Pulver Randomize.

Abbildung 2 : Das Diagramm zeigt die Schaltpläne von zwei Kupferdrähten, die an einen elektrischen Generator, die anderen Enden (in Öl getaucht) der Drähte angeschlossen sind zwei Elektroden bzw. Wattierung Innenring und einem Außenring verbunden.

7. Aufdrehen des Generators (mindestens 5 Umdrehungen) und laden Sie die Elektroden und beobachten Sie das Verhalten der Pulver in die Schüssel.

(2) die Wirkung des elektrischen Feldes

1. Erhalten Sie eine leere Cola-Dose und ruhen sie sich auf die Seite (so dass es frei Rollen kann) auf einem Tisch
2. Erhalten Sie einen Acryl-Stab; Reiben Sie es mit Pelz um ihn zu laden.
3. Bringen Sie den Stab in der Nähe der leeren Cola-Dose, und beobachten Sie die Reaktion des Cola-Dose.
4. Reißen Sie einen kleinen Streifen Papier und bringen Sie es auf den geladenen Stab, beobachten Sie sein Verhalten zu.

Für Schritt 1.4 startet das Pulver bilden Linienmuster zwischen den Elektroden wie in Abbildung 3dargestellt. Und zwar deshalb, weil das Pulver polarisiert sind und sich mit dem elektrischen Feld werden. Sie sind auch in Richtung wo das Feld stärker, nämlich näher an der positiven Elektrode ist angezogen. Das Pulver bewegen nicht merklich weil das Öl sehr zähflüssig ist. Das Muster der Pulver visualisiert die "elektrischen Feldlinien".

Abbildung 3 : Das Diagramm zeigt repräsentative Linienmuster, die durch das Pulver in das Öl, Angleichung an das elektrische Feld erzeugt durch die geladenen Elektroden entsprechend Abbildung 1gebildet werden können. Das Linienmuster reflektieren die elektrischen Feldlinien und das elektrische Feld zu visualisieren.

Für Schritt 1,7 bildet das Pulver außerhalb der Ringmitte (erstellt von der "+" Elektrode) eine radiale Linienmuster, wie in Abbildung 4dargestellt. Dies bedeutet, dass ein elektrisches Feld außerhalb des inneren Ringes vorhanden ist. Aber das Pulver in den inneren Ring erscheint zufällig und bildet keine ausgerichtete Muster. Dies spiegelt die Tatsache, dass das elektrische Feld im Inneren des Ringes ungefähr null ist.

Abbildung 4 : Das Diagramm zeigt repräsentative Linienmuster, die Form durch das Pulver in das Öl als Reaktion auf das elektrische Feld durch die geladenen Elektroden entsprechend Abbildung 2produziert. Das Linienmuster reflektieren die elektrischen Feldlinien und das elektrische Feld zu visualisieren. Zufällige Verteilung (mangelnde Linienmuster) des Pulvers in den inneren Ring spiegelt den Mangel an Ausrichtung oder das Fehlen von ausreichender Stärke elektrischer Felder gibt.

Für Schritt 2.3 und 2.4 sowohl die Getränkedose und Papierstreifen von angezogen werden und bewegen sich auf der geladenen Stab. Deshalb, weil sowohl die Getränkedose Papierstreifen durch das elektrische Feld polarisiert wird und das elektrische Feld stärker ist näher an die Rute und schwächeren weiter entfernt von der Rute. Daher sind die Gebühren, die durch das elektrische Feld näher an der Rute gezogen durch eine stärkere Kraft im Vergleich zu diesen entgegengesetzten Ladungen weggedrückt die Rute gezogen. Dadurch entsteht eine attraktive Nettokraft in Richtung der Rute.

In diesem Experiment haben wir elektrische Felder mit elektrifizierten Pulver in ein Öl, die mit den elektrischen Feldlinien ausrichten visualisiert. Wir zeigten auch die Wirkung eines elektrischen Feldes, produziert von einer Ladung Rod gewinnen Kopfprodukt Objekte in Richtung der Rute, d. h., die Quelle des elektrischen Feldes, wo das elektrische Feld stärker ist.

Elektrische Felder sind allgegenwärtig. Wann immer es Kosten oder Spannungsdifferenzen (elektrisches Potential gibt), gibt es elektrische Felder. Elektrische Felder bieten die Kraft zum Drücken Gebühren (in der Regel Elektronen) in Form elektrischer Strom in keine Schaltungen. Elektrische Felder sind auch verantwortlich für die Funken, die wir sehen und erleben in trockenen Klima (in der Regel im Winter). Wenn eine bestimmte Aktion (z. B. einen Pullover reiben, wenn Sie es entfernen) eine ausreichende Menge an Gebühren und damit ein ausreichend starkes elektrisches Feld erzeugt, kann das Feld transiente elektrische Leitfähigkeit in Luft (auch bekannt als "elektrischen Zusammenbruch", wo das elektrische Feld stark genug ist, nicht nur die Luftmoleküle polarisieren, sondern sogar Abzocke Elektronen aus Luftmolekülen) , und Funkenflug.

Der Autor des Experiments anerkennt die Unterstützung von Gary Hudson für die Vorbereitung des Materials und Chuanhsun Li für den Nachweis der Schritte in dem Video.