Champs électriques

Source : Yong P. Chen, PhD, département de physique & astronomie, Faculté des sciences, Université de Purdue, West Lafayette, Indiana

Un champ électrique est généré par un objet chargé (dénommé la charge source) dans l’espace qui l’entoure et représente la capacité d’exercer une force électrique sur un autre objet chargé (dénommé la charge d’essai). Représenté par un vecteur à un moment donné dans l’espace, le champ électrique est la force électrique par unité test charge placé à cet endroit (la force sur une accusation arbitraire serait l’accusation fois le champ électrique). Le champ électrique est fondamental pour l’électricité et les effets des charges, et il est aussi étroitement lié à d’autres grandeurs importantes telles que la tension électrique.

Cette expérience va utiliser des poudres électrifiées dans une huile qui s’alignent avec les champs électriques produits par les électrodes chargées de visualiser les lignes de champ électrique. Cette expérience montrera également comment un champ électrique peut induire des frais et comment les frais de répondent au champ électrique en observant l’effet d’une baguette chargée sur une canette de soda à proximité.

Un objet chargé produit un champ électrique dans l’espace environnant. Par exemple, conformément à la Loi de Gauss, une charge ponctuelle Q située à l’origine produit un champ électrique :

(Équation 1)

à n’importe quel point dans l’espace avec une distance r de l’accusation (à l’origine r = 0), et la direction du champ électrique va dans le sens radial (loin de la charge si Q est positif et vers la charge si Q est négatif). Une collection de frais produirait un champ électrique total selon le principe de superposition, à savoir le champ électrique total est la somme vectorielle des champs électriques produites par les charges individuelles. Pour une sphère uniformément chargée avec charge totale Q, le champ électrique produit en dehors de la sphère est le même que le champ électrique (donné par l’équation 1) en raison d’une charge ponctuelle Q située au centre de la sphère, alors que le champ électrique à l’intérieur de la sphère est nul.

Si l'on suit la direction locale du champ électrique à tracer sur le champ de vecteurs lignes, ces lignes (dont la tangente reflète la direction locale du champ électrique et la densité des lignes reflète la force du champ électrique local) sont appelées « lignes de champ électrique ». Ce sont des lignes fictives qui aident à visualiser la distribution et l’orientation des champs électriques.

Un champ électrique est étroitement apparenté aux électrique potentiel. Un champ électrique produirait un potentiel drop (ou « chute de tension ») le long de la direction du champ. À l’inverse, un moyen pratique pour générer un champ électrique est d’appliquer une différence de potentiel. Par exemple, si deux tensions différentes sont appliquées sur les deux conducteurs séparés (ou une tension non nulle appliquée sur un chef d’orchestre, tout en gardant un autre conducteur « s’est échoué » au zéro de tension), puis un champ électrique dans l’espace entre les deux conducteurs pointant dans la direction du conducteur tension supérieure au conducteur basse tension est généré.

Un champ électrique (E) exercera une force,

sur une charge (q). La direction de la force est le même que le champ électrique pour q positif et en face du champ électrique pour q négative. Si un conducteur (par exemple un métal) contenant des charges mobiles est placé dans un champ électrique, le champ électrique va pousser des charges positives « en aval » en direction des champ électrique et tirer des charges négatives (par exemple les électrons) « en amont » opposée à la direction du champ électrique, jusqu'à ce que les frais s’accumulent à la limite (surface) du conducteur et ne peut pas aller plus loin. Cela se traduit par une séparation des charges négatives et positives dans le conducteur dans un champ électrique, un phénomène appelé aussi « polarisation » par le champ électrique. Même pour les isolateurs où les frais sont beaucoup moins mobiles que ceux dans un conducteur, une « polarisation » partielle (où les charges positives et négatives sont légèrement déplacées) peut se produire dans un champ électrique. Le champ électrique va essayer de faire le déplacement à partir du négatif à charges positives aligné avec la direction du champ. Si le champ électrique est spatialement hétérogène telle que les forces sur les charges positives et négatives séparés ne s’annulent pas, une force nette va être exercée sur un objet polarisé.

1. visualiser les lignes de champ électrique

1. Obtenir un générateur électrostatique (comme un ordinateur de poche Genecon statique ou un générateur van der Graff), une paire d’électrodes disposées dans une configuration de cercle concentrique et une paire d’électrodes disposées parallèlement les uns aux autres.
2. Obtenir une boîte de Pétri ou un réservoir d’observation, remplissez-le avec de l’huile (comme l’huile de ricin) et ajouter les poudres électrifiée/polarisable (tels que les graines de semoule) dans l’huile.
3. Charger les électrodes avec la configuration d’électrodes parallèles sur le support de réservoir d’observation. Connectez les deux électrodes à le « − » (sol) et « + » (payant) bornes du générateur électrostatique, respectivement, comme dans la Figure 1. La connexion peut être établie par des câbles avec des pinces.

Figure 1 : Diagramme montrant les schémas des deux fils de cuivre reliés à un générateur électrique, les autres extrémités (trempées dans de l’huile) les fils est connecté à une paire d’électrodes parallèles.

4. Tournez la manivelle du générateur qui mettra positif frais sur l’électrode reliée à la borne « + ». Faire au moins 5 tours complets. Observer le comportement des poudres.
5. Utilisez un câble court directement le « − » et des bornes « + » pour neutraliser les charges. Débrancher les bornes de l’électrode.
6. Ensuite, charger la configuration d’électrode de cercle concentrique au support et connecter les électrodes aux bornes du générateur, encore une fois, comme illustré à la Figure 2. Mélanger l’huile dans le plat de randomiser les poudres.

Figure 2 : Diagramme montrant les schémas des deux fils de cuivre reliés à un générateur électrique, les autres extrémités (trempées dans de l’huile) les fils est connecté à une paire d’électrodes en forme de bague intérieure et une bague extérieure respectivement.

7. Montez le générateur (au moins 5 tours) et charger les électrodes et observer le comportement des poudres dans le plat.

2. l’effet du champ électrique

1. Obtenir un bidon vide de soude et posez-le sur le côté (donc il peut rouler librement) sur une table
2. Obtenir une tige acrylique ; Frottez-le avec de la fourrure pour le charger.
3. Rapprochent le bidon vide soude de la tige et observez la réponse de la canette de soda.
4. Déchirer une petite bande de papier et apportez-la à la tige chargée, observer son comportement.

Pour l’étape 1.4, la poudre va commencer à former des motifs de lignes entre les électrodes, comme illustré à la Figure 3. C’est parce que les poudres sont polarisées et seront la ligne vers le haut avec le champ électrique. Ils sont aussi attirés vers où le champ est plus fort, c'est-à-dire plus près de l’électrode positive. Les poudres ne bougent pas sensiblement car l’huile est très visqueux. Le modèle des poudres visualise les « lignes de champ électrique ».

Figure 3 : Diagramme indiquant les motifs de lignes représentant qui peuvent être formés par la poudre, l’huile, en alignant au champ électrique produit par les électrodes chargées correspondant à la Figure 1. Les motifs de lignes reflètent les lignes de champ électrique et de visualiser le champ électrique.

Pour étape 1.7, la poudre à l’extérieur de l’anneau central (faite par l’électrode « + ») constitue un motif de lignes radiales, comme illustré à la Figure 4. Cela indique qu’un champ électrique existe en dehors de la bague intérieure. Toutefois, la poudre à l’intérieur de la bague intérieure semble aléatoire et ne forme pas de patrons alignés. Cela tient au fait que le champ électrique à l’intérieur de l’anneau est environ de zéro.

Figure 4 : Diagramme indiquant les motifs de lignes représentant qui forme de la poudre dans l’huile en réponse au champ électrique produit par les électrodes chargées correspondant à la Figure 2. Les motifs de lignes reflètent les lignes de champ électrique et de visualiser le champ électrique. Une distribution aléatoire (absence de motifs de lignes) de la poudre à l’intérieur de la bague intérieure reflète le manque de l’alignement ou de résistance suffisante de champs électriques, il.

Pour obtenir la procédure 2.3 et 2.4, la soude peut tant seront attirés par bande de papier et de progresser vers la tige chargée. C’est parce que tant la soude peut bande de papier va être polarisée par le champ électrique et le champ électrique est plus fort, plus proche de la tige et les plus faibles plus loin de la tige. Par conséquent, les frais entraînés par le champ électrique pour se rapprocher de la tige, sont tirés par une force plus forte par rapport à ces charges opposées poussés loin de la tige. Il en résulte une force attractive nette vers la tige.

Dans cette expérience, nous avons visualisé les champs électriques à l’aide de poudres électrifiées dans une huile qui s’harmonisent avec les lignes de champ électrique. Nous avons aussi démontré l’effet d’un champ électrique produit par une tige de charge pour attirer les objets polarisables vers la tige, c'est-à-dire, la source du champ électrique où le champ électrique est plus fort.

Les champs électriques sont omniprésents. Il y a des champs électriques lorsqu’existent des accusations ou des différences de tension (potentiel électrique). Champs électriques fournissent la force pour pousser les frais (habituellement des électrons) au courant électrique de forme dans tous les circuits. Les champs électriques sont également responsables des étincelles nous voir et vivre en climat sec (généralement en hiver). Quand une certaine action (par exemple, un pull à friction lorsque vous l’enlevez) produit une quantité suffisante de charges et donc un suffisamment fort champ électrique, le champ peut causer transitoires par conduction électrique dans l’air (également connu sous le nom « panne électrique », où le champ électrique est assez fort pour polariser non seulement les molécules d’air, mais même arnaque électrons des molécules d’air) et produire des étincelles.

L’auteur de l’expérience reconnaît l’aide de Gary Hudson pour la préparation du matériel et Chuanhsun Li pour démontrer les étapes dans la vidéo.