Что такое электростатическое поле
Содержание
Электрическим полем называется материя, существующая вокруг электрозарядов и проявляющаяся в действии на них. Статическое электричество поначалу изучалось не так активно, как электрические токи. Считалось, что оно приносит мало пользы на практике. Интерес к этой области научных исследований повысился с началом применения полимерных материалов в быту и производстве.
Физический смысл электростатики
Электрические поля создаются в результате влияния заряженных частиц (электронов и протонов) друг на друга. Движение частиц останавливается, если на них не действует никакая сила. Раздел физики, который изучает характеристики, свойства и законы взаимного влияния заряженных уравновешенных частиц, называется электростатикой.
Постоянные электрические поля можно обнаружить:
- в результате контакта поверхностей: трения двух материалов друг о друга, отделения или намотки;
- при резких перепадах температур;
- в ходе химических реакций;
- под действием радиации.
Источники природного электростатического поля — это разряды молний, движение воздушных масс, прохождение вод сквозь пористые горные породы, движение литосферных плит, вулканические извержения и т. п.
Примеры, когда электростатическое поле создано искусственно: аккумуляторы, источники постоянного тока, силовые линии электропередач, технологические процессы, связанные с дроблением или передачей веществ по трубам.
Заряд и его свойства
Электрическим зарядом называют состояние материи, при котором она теряет свою нейтральность из-за избытка протонов или электронов. Вопросом обнаружения его существования впервые озадачился Ш. Кулон в 1875 году. Заряд — это дискретная величина, значение которой не зависит от системы отсчета или скорости движения. Величину заряда, принятого за элементарный, считают константой, равной 1.6*10-19 Кл.
Процесс потери атомом отрицательных или положительных частиц называют ионизацией. Электрические частицы являются источниками всех электростатических полей.
Главным их свойством считают подчинение закону сохранения заряда, сформулированному М.Фарадеем: в совокупности заряженных частиц, которые не подвержены влиянию внешних магнитных сил, сумма зарядов всегда одинакова.
Электростатическое поле и его основные свойства
Поле называется электростатическим, если заряды, создающие его, статичны, то есть, неподвижны. Статическое электричество делят на самоприобретенное и наведенное, полученное от другого предмета бесконтактным способом, который называют методом индукции.
Основные свойства электростатического поля:
- Статическое электричество возникает около всякого заряда.
- Заряд обладает статичной скоростью распространения, которую можно измерить.
- С увеличением дистанции взаимное влияние частиц становится хуже. Эта зависимость описана в законе Кулона — основном законе электростатики.
- Четких пределов, за которыми заканчивается поле, не существует.
Поле, которое создается заряженными частицами, делится на:
- однородное поле статического электричества — напряженность одинакова в различных точках;
- статическое неоднородное электрическое поле — напряженность и направленность поля разные.
С помощью чего можно определить наличие электростатического поля:
- использования любого другого заряженного тела;
- электромагнитного датчика.
Электростатическое поле и его характеристики
Электростатическое поле является частным случаем электрического поля, поэтому у него такие же основные характеристики — потенциал и напряженность.
Потенциал
Основной энергетической характеристикой поля является потенциал — потенциальная энергия точечного электрозаряда с известными координатами. Определение потенциала осуществляется довольно просто:
Эту характеристику иногда называют кулоновским потенциалом, а единицей измерения считают вольт. Разность потенциалов между двумя зарядами рассчитывают по напряженности.
Напряженность
Электростатическое направленное поле имеет такую силовую характеристику, как напряженность. Это название получила сила, влияющая на элементарный заряд, которая рассчитывается для каждой точки поля отдельно и измеряется в В/м:
Напряженность является векторной величиной и выражается касательной к силовым линиям в определенной точке поля.
Если рассматривается поле точечного заряда, расположенного на некотором расстоянии от него, то напряженность определяется по формуле:
В расчете поля, созданного несколькими зарядами, применяют метод суперпозиции: напряженность, создаваемая группой заряженных частиц, высчитывается по сумме напряженностей всех заряженных частиц в заданной точке поля.
Работа по перемещению заряда
Иногда высчитывают работу, которая выполняется электростатическим полем:
Из понятия работы по перемещению заряда исходит понятие напряжения — это силовая характеристика, которая выражается отношением работы к перемещаемому заряду:
Электрическая емкость
Способность накапливать статическое электричество называют электроемкостью. Единица измерения — фарад. Вычисляется с помощью формулы:
Понятие электроемкости привело к созданию конденсаторов — элементов, задачей которых является накопление заряда. Простейший конденсатор состоит из двух металлических пластин с диэлектриком посередине.
Графическое отображение
Статическое природное или искусственное поле изображают, указывая силовые линии или эквипотенциали. Наносят линии напряженности от положительного заряда (анода) к отрицательному (катоду). Они обладают следующими особенностями:
- не начинаются и не заканчиваются на пустом месте;
- не пересекаются и не сходятся;
- перпендикулярны поверхности проводника.
Эквипотенциалями называют геометрическое отображение всех точек поля с одинаковым потенциалом. Их принято проводить в одной поверхности с проводником и так, чтобы расстояние между соседними линиями была одинаковым. С помощью эквипотенциалей можно понять, какое поле действует и как оно распределено в пространстве. Чем дальше от заряда, тем больше расстояние между силовыми линиями. Это означает, что сила поля уменьшается, то есть, заряженные частицы взаимодействуют слабее. Если линии напряженности параллельные, то электростатическое поле в этом случае является однородным.
Польза электростатических явлений
- Статическое электричество в хозяйстве является исключительно полезным. В технике часто применяют способность мелких частиц, попадающих под действие поля, притягивать ионы и электроны:
- Покраска изделий. Детали, которые окрашивают на конвейере, заряжают положительно, а частицы краски — отрицательно. В результате этого процесса краска формирует тонкий и плотный слой, а сам пигмент расходуется экономно.
- Очищение воздуха и сбор пыли. В металлическую трубку помещают проволоку. Проводник заряжают положительно, а стенки трубы — отрицательно. Дым, пыль и другие примеси берут потенциал от проволоки, а после оседают на внутренней поверхности трубы.
- Смешение веществ. Вещества для смешивания наделяются противоположными зарядами, за счет чего процесс проходит равномернее и лучше.
- Создание ворса. На проводящую отрицательно заряженную пластину кладут материал, на который наносится клей. Сами ворсинки пропускают через решетку с противоположным зарядом. Элементы ворса быстро ориентируются в электростатическом равномерном поле и оседают на поверхности строго перпендикулярно.
Вредные влияния электростатических полей
Существует статическое электричество, которое является опасным и наносит вред производственным процессам. Рассмотрим основные проблемы, которые возникают при работе с ним.
Опасность для электроники
Опасность повреждения электроники статическим зарядом идет от человека. Во время возникновения статического разряда можно обнаружить тепло, из-за которого происходит выжигание дорожек и компонентов платы. Элементы устройства иногда перестают работать не сразу, а через время. При работе с чувствительными устройствами следует избавляться от накопленного заряда.
Пожароопасность
Оборудование без заземления часто являются источником воспламенения. В местах, где используются или хранятся легковоспламеняющиеся вещества и материалы, должна проводиться работа по защите от искрения и накопления статического заряда.
Загрузка...
