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정전기의 기본 공식. 정전기가 할 수 있는 일 물리학 공식 정전기 주제

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정전기학의 기초는 Coulomb의 작업에 의해 마련되었습니다. (그보다 10년 전에는 Cavendish가 훨씬 더 정확하더라도 동일한 결과를 얻었습니다. Cavendish의 작업 결과는 가족 기록 보관소에 보관되었으며 100만 출판되었습니다. 몇 년 후); 그린(Green), 가우스(Gauss), 푸아송(Poisson)이 발견한 전기적 상호작용의 법칙은 수학적으로 우아한 이론을 창조하는 것을 가능하게 했습니다. 정전기학의 가장 중요한 부분은 그린(Green)과 가우스(Gauss)가 창안한 전위 이론입니다. 정전기에 대한 많은 실험적 연구는 Rees에 의해 수행되었으며, 과거에 그의 저서가 이러한 현상 연구의 주요 지침이 되었습니다.

유전 상수

정전기학에서 다루어야 하는 거의 모든 공식에 포함된 계수인 모든 물질의 유전 계수 K 값을 찾는 것은 매우 다른 방법으로 수행될 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 방법은 다음과 같습니다.
1) 동일한 크기와 모양을 갖는 두 커패시터의 전기 커패시턴스 비교. 그중 하나는 절연층이 공기층이고 다른 하나는 테스트 중인 유전체층입니다.
2) 특정 전위차가 이들 표면에 부여되지만 한 경우에는 그 사이에 공기가 있을 때(흡인력 = F 0), 다른 경우에는 시험 액체 절연체( 인력 = F). 유전 계수는 다음 공식으로 구합니다.
케이 = 에프 0 에프 . (\displaystyle K=(\frac (F_(0))(F)).)
3) 전선을 따라 전파되는 전기파(전기 진동 참조) 관찰. Maxwell의 이론에 따르면 전선을 따라 전파가 전파되는 속도는 다음 공식으로 표현됩니다.
V = 1Kμ . (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K\mu ))).)
여기서 K는 와이어를 둘러싼 매체의 유전 계수를 나타내고, μ는 이 매체의 투자율을 나타냅니다. 우리는 대부분의 몸체에 대해 μ = 1을 둘 수 있으므로 다음과 같습니다.
V = 1K (\displaystyle V=(\frac (1)(\sqrt (K))).)
일반적으로 공기와 테스트 유전체(액체)에 위치한 동일한 와이어의 일부에서 발생하는 정재파의 길이를 비교합니다. 이러한 길이 λ 0 및 λ를 결정하면 K = λ 0 2 / λ 2를 얻습니다. Maxwell의 이론에 따르면 전기장이 절연 물질에 여기되면 이 물질 내부에서 특별한 변형이 발생합니다. 유도관을 따라 절연 매체가 분극화됩니다. 이 튜브의 축 방향으로 양전기의 움직임에 비유될 수 있는 전기적 변위가 발생하며 튜브의 각 단면을 통해 다음과 같은 양의 전기가 전달됩니다.
D = 14πKF . (\displaystyle D=(\frac (1)(4\pi ))KF.)
Maxwell의 이론을 사용하면 전기장이 여기될 때 유전체에 나타나는 내부 힘(인장력과 압력)에 대한 표현을 찾을 수 있습니다. 이 질문은 Maxwell 자신이 처음 고려했으며 나중에 Helmholtz가 더 자세히 고려했습니다. 이 문제에 대한 이론과 밀접하게 연결된 전기 변형 이론(즉, 전기장이 여기될 때 유전체에서 특수 전압의 발생에 의존하는 현상을 고려하는 이론)의 추가 개발은 Lorberg의 연구에 속합니다. Kirchhoff, P. Duhem, N. N. Schiller 외 다수

국경 조건

유도관의 굴절 문제를 고려하여 전기 변형의 가장 중요한 측면에 대한 간략한 설명을 마치겠습니다. 유전 계수 K 1 및 K 2를 사용하여 일부 표면 S에 의해 서로 분리된 전기장 내 두 개의 유전체를 상상해 봅시다.
표면 S에 무한히 가까운 지점 P 1 과 P 2 의 양쪽 면에서 전위의 크기는 V 1 과 V 2 로 표현되고, 한 단위의 양전기가 받는 힘의 크기는 다음과 같습니다. F 1과 F 2를 통해 이러한 점을 나타냅니다. 그러면 표면 S 자체 위에 있는 점 P에 대해 V 1 = V 2가 있어야 합니다.
d V 1 d s = d V 2 d s , (30) (\displaystyle (\frac (dV_(1))(ds))=(\frac (dV_(2))(ds)),\qquad (30))
ds가 점 P에서 표면 S에 대한 접평면과 이 점에서 표면의 법선을 통과하고 그 안의 전기력 방향을 통과하는 평면의 교차선을 따라 무한한 변위를 나타내는 경우. 반면에, 그것은
K 1 d V 1 d n 1 + K 2 d V 2 d n 2 = 0. (31) (\displaystyle K_(1)(\frac (dV_(1))(dn_(1)))+K_(2)( \frac (dV_(2))(dn_(2)))=0.\qquad (31))
법선 n2(두 번째 유전체 내부)와 힘 F2에 의해 만들어진 각도를 ε 2로 표시하고, 동일한 법선 n 2에서 힘 F 1에 의해 만들어진 각도를 ε 1로 표시합니다. 그런 다음 공식(31)과 (30), 우리는
t g ε 1 t g ε 2 = K 1 K 2 . (\displaystyle (\frac (\mathrm (tg) (\varepsilon _(1)))(\mathrm (tg) (\varepsilon _(2))))=(\frac (K_(1))(K_( 2))).)
따라서 두 유전체를 서로 분리하는 표면에서는 광선이 한 매체에서 다른 매체로 들어가는 것처럼 전기력의 방향이 변경됩니다. 이론의 이러한 결과는 경험에 의해 정당화됩니다.
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전하입자나 물체가 전자기적 상호작용을 하는 능력을 특징짓는 물리량입니다. 전하는 일반적으로 문자로 표시됩니다. 큐또는 큐. SI 시스템에서 전하는 쿨롱(C) 단위로 측정됩니다. 1C의 무료 전하는 사실상 자연계에서는 찾아볼 수 없는 엄청난 양의 전하량이다. 일반적으로 마이크로쿨롱(1 µC = 10 -6 C), 나노쿨롱(1 nC = 10 -9 C) 및 피코쿨롱(1 pC = 10 -12 C)을 처리해야 합니다. 전기 요금에는 다음과 같은 속성이 있습니다.

1. 전하는 일종의 물질이다.

2. 전하는 입자의 움직임과 속도에 의존하지 않습니다.

3. 전하는 한 신체에서 다른 신체로 (예를 들어 직접 접촉을 통해) 이전될 수 있습니다. 체질량과 달리 전하는 주어진 신체의 필수 특성이 아닙니다. 다른 조건에서 동일한 신체가 다른 전하를 가질 수 있습니다.

4. 일반적으로 전하라고 불리는 두 가지 유형의 전하가 있습니다. 긍정적인그리고 부정적인.

5. 모든 요금은 서로 상호 작용합니다. 이 경우 전하는 밀어내는 것과 달리 전하를 끌어당깁니다. 전하 간 상호 작용의 힘은 중심입니다. 즉, 전하 중심을 연결하는 직선 위에 있습니다.

6. 가능한 최소(모듈로) 전하가 있습니다. 기본 요금. 그 의미:

이자형= 1.602177·10 –19C ≒ 1.6·10 –19C.

모든 신체의 전하는 항상 기본 전하의 배수입니다.

어디: N– 정수. 0.5에 해당하는 요금이 존재하는 것은 불가능합니다. 이자형; 1,7이자형; 22,7이자형등등. 불연속(연속이 아닌) 일련의 값만 취할 수 있는 물리량을 호출합니다. 양자화. 기본 전하 e는 전하의 양자(가장 작은 부분)입니다.

고립계에서는 모든 물체의 전하량의 대수적 합이 일정하게 유지됩니다.

전하 보존의 법칙에 따르면 닫힌 신체 시스템에서는 단 하나의 기호에 대한 전하 생성 또는 소멸 과정을 관찰할 수 없습니다. 또한 전하 보존의 법칙에 따라 크기와 모양이 같은 두 물체가 전하를 띠면 큐 1과 큐 2 (전하의 부호가 무엇인지는 전혀 중요하지 않습니다) 접촉한 다음 다시 분리하면 각 신체의 전하가 동일해집니다.

현대의 관점에서 전하 캐리어는 기본 입자입니다. 모든 일반 몸체는 양전하를 띤 원자로 구성됩니다. 양성자, 음전하를 띠는 전자중성 입자 - 중성자. 양성자와 중성자는 원자핵의 일부이며, 전자는 원자의 전자 껍질을 형성합니다. 양성자와 전자의 전하는 절대값이 정확히 같고 기본(즉, 가능한 최소) 전하와 같습니다. 이자형.

중성 원자에서는 핵의 양성자 수는 껍질의 전자 수와 같습니다. 이 번호를 원자번호라고 합니다. 특정 물질의 원자는 하나 이상의 전자를 잃거나 추가 전자를 얻을 수 있습니다. 이 경우 중성 원자는 양전하 또는 음전하를 띤 이온으로 변합니다. 양성자 양성자는 원자핵의 일부이므로 그 수는 핵반응 중에만 바뀔 수 있습니다. 신체에 전기가 흐르면 핵반응이 일어나지 않는다는 것은 명백합니다. 따라서 어떤 전기 현상에서도 양성자의 수는 변하지 않고 전자의 수만 변합니다. 따라서 신체에 음전하를 부여한다는 것은 신체에 추가 전자를 전달하는 것을 의미합니다. 그리고 일반적인 실수와는 달리 양전하의 메시지는 양성자의 추가가 아니라 전자의 빼기를 의미합니다. 전하는 정수개의 전자를 포함하는 부분에서만 한 몸체에서 다른 몸체로 이동할 수 있습니다.

때로는 문제가 있는 경우 전하가 특정 신체에 분산됩니다. 이 분포를 설명하기 위해 다음과 같은 양이 도입됩니다.

1. 선형 전하 밀도.필라멘트를 따라 전하 분포를 설명하는 데 사용됩니다.

어디: 엘– 스레드 길이. C/m 단위로 측정됩니다.

2. 표면 전하 밀도.신체 표면의 전하 분포를 설명하는 데 사용됩니다.

어디: 에스– 신체 표면적. C/m2 단위로 측정됩니다.

3. 부피 전하 밀도.물체의 부피에 따른 전하 분포를 설명하는 데 사용됩니다.

어디: V– 신체의 부피. C/m3 단위로 측정됩니다.

점에 유의하시기 바랍니다 전자 질량동일하다:

나= 9.11∙10 –31kg.

쿨롱의 법칙

포인트 충전이 문제의 조건에서는 크기를 무시할 수 있는 대전체라고 합니다. 수많은 실험을 바탕으로 쿨롱은 다음과 같은 법칙을 확립했습니다.

고정 점전하 사이의 상호 작용력은 전하 계수의 곱에 정비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.

어디: ε – 매체의 유전 상수는 주어진 매체에서 정전기 상호 작용의 힘이 진공에서보다 몇 배나 작은지를 보여주는 무차원 물리량입니다(즉, 매체가 상호 작용을 약화시키는 횟수). 여기 케이– 쿨롱 법칙의 계수, 전하의 상호 작용력의 수치를 결정하는 값. SI 시스템에서 그 값은 다음과 같습니다.

케이= 9∙10 9m/F.

점 고정 전하 사이의 상호작용력은 뉴턴의 제3법칙을 따르며, 동일한 전하 부호로 서로 밀어내는 힘과 부호가 다른 서로 끌어당기는 힘입니다. 고정 전하의 상호 작용을 정전기의또는 쿨롱 상호작용. 쿨롱 상호작용을 연구하는 전기역학 분야는 다음과 같습니다. 정전기.

쿨롱의 법칙은 점전하체, 균일하게 대전된 구 및 공에 유효합니다. 이 경우 거리에 대해서는 아르 자형구나 공의 중심 사이의 거리를 구합니다. 실제로 쿨롱의 법칙은 대전된 물체의 크기가 그 사이의 거리보다 훨씬 작은 경우 잘 충족됩니다. 계수 케이 SI 시스템에서는 때때로 다음과 같이 작성됩니다.

어디: ε 0 = 8.85∙10 –12 F/m – 전기 상수.

경험에 따르면 쿨롱 상호 작용의 힘은 중첩 원리를 따릅니다. 대전된 물체가 여러 개의 대전된 물체와 동시에 상호 작용하면 이 물체에 작용하는 결과 힘은 다른 모든 대전된 물체에서 이 물체에 작용하는 힘의 벡터 합과 같습니다. 시체.

두 가지 중요한 정의도 기억하세요.

지휘자– 자유 전하 운반체를 함유한 물질. 도체 내부에서는 전자(전하 캐리어)의 자유로운 이동이 가능합니다(전류가 도체를 통해 흐를 수 있음). 전도체에는 금속, 전해질 용액 및 용융물, 이온화 가스 및 플라즈마가 포함됩니다.

유전체(절연체)– 자유 전하 운반체가 없는 물질. 유전체 내부에서 전자의 자유로운 이동은 불가능합니다(전류가 유전체를 통해 흐를 수 없음). 단위와 같지 않은 특정 유전 상수를 갖는 유전체입니다. ε .

물질의 유전 상수의 경우 다음이 적용됩니다(바로 아래 전기장이 무엇인지에 대해).

전기장과 그 강도

현대 개념에 따르면 전하는 서로 직접적으로 작용하지 않습니다. 각 충전체는 주변 공간에 생성됩니다. 전기장. 이 필드는 다른 대전체에 힘을 가합니다. 전기장의 주요 특성은 어떤 힘으로 전하에 미치는 영향입니다. 따라서 대전체의 상호 작용은 서로 직접적인 영향을 미치는 것이 아니라 대전체를 둘러싼 전기장을 통해 수행됩니다.

대전체 주변의 전기장은 소위 테스트 전하(연구 중인 전하의 눈에 띄는 재분배를 유발하지 않는 작은 점 전하)를 사용하여 연구할 수 있습니다. 전기장을 정량적으로 결정하기 위해 힘 특성이 도입됩니다. 전기장 강도 이자형.

전기장 강도는 필드의 특정 지점에 배치된 테스트 전하에 필드가 작용하는 힘과 이 전하의 크기의 비율과 동일한 물리량입니다.

전기장의 강도는 벡터 물리량입니다. 장력 벡터의 방향은 공간의 각 지점에서 양의 테스트 전하에 작용하는 힘의 방향과 일치합니다. 시간이 지나도 변하지 않는 고정 전하의 전기장을 정전기라고 합니다.

전기장을 시각적으로 표현하려면 다음을 사용하십시오. 전력선. 이 선은 각 점의 장력 벡터 방향이 힘선에 대한 접선 방향과 일치하도록 그려집니다. 필드 라인에는 다음과 같은 속성이 있습니다.

정전기장 선은 절대 교차하지 않습니다.
정전기장 선은 항상 양전하에서 음전하로 향합니다.
전기장을 전기장선으로 묘사할 때 전기장의 밀도는 전기장 강도 벡터의 크기에 비례해야 합니다.
힘의 선은 양전하 또는 무한대에서 시작하여 음전하 또는 무한대에서 끝납니다. 장력이 클수록 선의 밀도가 높아집니다.
공간의 주어진 지점에서는 단 하나의 힘선만이 지나갈 수 있습니다. 공간의 특정 지점에서의 전기장 강도는 고유하게 지정됩니다.

전기장의 모든 지점에서 강도 벡터가 동일하면 전기장을 균일하다고 합니다. 예를 들어 균일한 필드는 플랫 커패시터에 의해 생성됩니다. 두 개의 플레이트는 동일한 크기와 반대 부호의 전하로 충전되고 유전체 층으로 분리되며 플레이트 사이의 거리는 플레이트 크기보다 훨씬 작습니다.

충전 시 균일 필드의 모든 지점에서 큐, 강도가 있는 균일한 장에 도입됨 이자형, 크기와 방향이 같은 힘이 다음과 같이 작용합니다. 에프 = 방정식. 게다가 요금이 부과된다면 큐양수이면 힘의 방향은 장력 벡터의 방향과 일치하고, 전하가 음수이면 힘과 장력 벡터의 방향은 반대입니다.

양수 및 음수 전하가 그림에 표시됩니다.

중첩 원리

여러 개의 대전체에 의해 생성된 전기장을 테스트 전하를 사용하여 연구하면 결과적인 힘은 각 대전체에서 개별적으로 테스트 전하에 작용하는 힘의 기하학적 합과 동일한 것으로 나타납니다. 결과적으로 공간의 특정 지점에서 전하 시스템에 의해 생성된 전계 강도는 동일한 지점에서 전하별로 생성된 전계 세기의 벡터 합과 같습니다.

전기장의 이러한 특성은 장이 순종한다는 것을 의미합니다. 중첩 원리. 쿨롱의 법칙에 따라 점전하에 의해 생성되는 정전기장의 세기는 큐거리에 아르 자형그것으로부터 모듈러스가 동일합니다.

이 필드를 쿨롱 필드라고 합니다. 쿨롱 장에서 강도 벡터의 방향은 전하의 부호에 따라 달라집니다. 큐: 만약에 큐> 0이면 전압 벡터는 전하에서 멀어지는 방향으로 향합니다. 큐 < 0, то вектор напряженности направлен к заряду. Величина напряжённости зависит от величины заряда, среды, в которой находится заряд, и уменьшается с увеличением расстояния.

표면 근처의 대전된 평면에 의해 생성된 전계 강도:

따라서 문제가 전하 시스템의 전계 강도를 결정해야 하는 경우 다음과 같이 진행해야 합니다. 연산:

그림을 그려.
원하는 지점에 각 전하의 전계 강도를 별도로 그립니다. 장력은 음전하 방향으로 향하고 양전하 방향으로는 멀어진다는 점을 기억하십시오.
적절한 공식을 사용하여 각 장력을 계산합니다.
기하학적으로(즉, 벡터적으로) 응력 벡터를 추가합니다.

전하 상호작용의 잠재적 에너지

전하는 서로 및 전기장과 상호 작용합니다. 모든 상호 작용은 위치 에너지로 설명됩니다. 두 점 전하의 상호작용의 잠재적 에너지다음 공식으로 계산됩니다.

요금에는 모듈이 없습니다. 전하와 달리 상호작용 에너지는 음의 값을 갖습니다. 균일하게 전하를 띤 구와 공의 상호작용 에너지에 대해서도 동일한 공식이 유효합니다. 평소와 마찬가지로 이 경우 거리 r은 공이나 구의 중심 사이를 측정합니다. 두 개가 아니라 더 많은 전하가 있는 경우 상호 작용 에너지는 다음과 같이 계산해야 합니다. 전하 시스템을 가능한 모든 쌍으로 나누고 각 쌍의 상호 작용 에너지를 계산하고 모든 쌍에 대한 모든 에너지를 합산합니다.

이 주제에 관한 문제는 기계 에너지 보존 법칙에 관한 문제와 같이 해결됩니다. 먼저 상호 작용의 초기 에너지를 찾은 다음 최종 에너지를 찾습니다. 문제가 전하를 이동시키기 위해 수행된 작업을 찾으라고 요청하는 경우 전하 상호 작용의 초기 총 에너지와 최종 총 에너지 간의 차이와 같습니다. 상호작용 에너지는 운동에너지나 다른 유형의 에너지로 변환될 수도 있습니다. 물체가 매우 먼 거리에 있으면 상호 작용 에너지는 0과 같다고 가정됩니다.

참고: 문제가 움직일 때 물체(입자) 사이의 최소 또는 최대 거리를 찾아야 하는 경우, 이 조건은 입자가 같은 속도로 한 방향으로 움직이는 그 순간에 충족됩니다. 따라서 해법은 동일한 속도를 구하는 운동량 보존 법칙을 작성하는 것부터 시작해야 합니다. 그런 다음 두 번째 경우의 입자의 운동 에너지를 고려하여 에너지 보존 법칙을 작성해야 합니다.

잠재적인. 잠재적인 차이. 전압

정전기장은 중요한 특성을 가지고 있습니다. 전하를 필드의 한 지점에서 다른 지점으로 이동할 때 정전기장의 작용은 궤적의 모양에 의존하지 않고 시작점과 끝점의 위치에 의해서만 결정됩니다. 그리고 전하의 크기.

궤적의 모양으로부터 작업이 독립된 결과는 다음과 같습니다. 닫힌 궤적을 따라 전하를 이동할 때 정전기장력의 작업은 0과 같습니다.

정전기장의 전위 특성(궤적 모양으로부터 작업의 독립성)을 통해 전기장에서 전하의 위치 에너지 개념을 도입할 수 있습니다. 그리고 정전기 장에서 전하의 위치 에너지와이 전하의 크기의 비율과 동일한 물리량을 호출합니다. 잠재적인 φ 전기장:

잠재적인 φ 정전기장의 에너지 특성입니다. 국제 단위계(SI)에서 전위(따라서 전위차, 즉 전압)의 단위는 볼트[V]입니다. 잠재력은 스칼라 수량입니다.

정전기학의 많은 문제에서 전위를 계산할 때 전위에너지와 전위의 값이 사라지는 기준점으로 무한대 점을 취하는 것이 편리합니다. 이 경우 전위의 개념은 다음과 같이 정의할 수 있습니다. 공간의 특정 지점에서 필드 전위는 특정 지점에서 무한대까지 단일 양전하를 제거할 때 전기력이 수행한 작업과 같습니다.

두 점 전하의 상호 작용에 대한 위치 에너지 공식을 회상하고 이를 전위 정의에 따라 전하 중 하나의 값으로 나누면 다음을 얻습니다. 잠재적인 φ 포인트 충전 필드 큐거리에 아르 자형무한대의 점을 기준으로 그것으로부터 다음과 같이 계산됩니다.

이 공식을 사용하여 계산된 전위는 생성된 전하의 부호에 따라 양수 또는 음수가 될 수 있습니다. 동일한 공식은 균일하게 대전된 공(또는 구)의 필드 전위를 다음과 같이 표현합니다. 아르 자형 ≥ 아르 자형(공이나 구 외부), 여기서 아르 자형공의 반경과 거리이다. 아르 자형공의 중심에서 측정됩니다.

자기장 선과 함께 전기장을 시각적으로 표현하려면 다음을 사용하십시오. 등전위면. 모든 점에서 전기장 전위가 동일한 값을 갖는 표면을 등전위면 또는 등전위면이라고 합니다. 전기력선은 항상 등전위면에 수직입니다. 점전하의 쿨롱 장의 등전위면은 동심원 구입니다.

전기 같은 전압그것은 단지 잠재적인 차이일 뿐입니다. 전압의 정의는 다음 공식으로 나타낼 수 있습니다.

균일한 전기장에서는 전계 강도와 전압 사이에 다음과 같은 관계가 있습니다.

전기현장작업전하 시스템의 초기 위치 에너지와 최종 위치 에너지의 차이로 계산할 수 있습니다.

일반적인 경우 전기장의 작업은 다음 공식 중 하나를 사용하여 계산할 수도 있습니다.

균일한 필드에서 전하가 필드 라인을 따라 이동할 때 필드의 작업은 다음 공식을 사용하여 계산할 수도 있습니다.

다음 수식에서:

φ – 전기장 전위.
∆φ – 전위차.
여– 외부 전기장의 잠재적인 전하 에너지.
ㅏ– 전하(전하)를 이동시키는 전기장의 작용.
큐– 외부 전기장에서 움직이는 전하.
유- 전압.
이자형– 전기장 강도.
디또는 Δ 엘– 힘의 선을 따라 전하가 이동한 거리.

이전의 모든 공식에서 우리는 정전기장의 작업에 대해 구체적으로 이야기했지만, 문제가 "작업을 완료해야 합니다"라고 말하거나 "외부 힘의 작업"에 대해 이야기하는 경우 이 작업을 다음에서 고려해야 합니다. 현장 작업과 동일한 방식이지만 부호는 반대입니다.

잠재적인 중첩 원리

전하에 의해 생성된 전계 강도의 중첩 원리에서 전위 중첩의 원리는 다음과 같습니다(이 경우 전계 전위의 부호는 전하를 생성한 전하의 부호에 따라 달라집니다).

긴장의 중첩보다 잠재력의 중첩 원리를 적용하는 것이 얼마나 쉬운지 주목하십시오. 잠재력은 방향이 없는 스칼라 수량입니다. 잠재력을 추가하는 것은 단순히 숫자 값을 추가하는 것입니다.

전기 용량. 플랫 커패시터

도체에 전하를 부여할 때 신체를 충전할 수 없는 특정 한도가 항상 있습니다. 신체의 전하 축적 능력을 특성화하기 위해 개념이 도입되었습니다. 전기 용량. 절연된 도체의 커패시턴스는 전위에 대한 전하의 비율입니다.

SI 시스템에서 정전용량은 패럿(F)으로 측정됩니다. 1패럿은 매우 큰 용량입니다. 비교해 보면 지구 전체의 정전 용량은 1패럿보다 훨씬 작습니다. 도체의 커패시턴스는 전하나 신체의 전위에 의존하지 않습니다. 마찬가지로 밀도는 신체의 질량이나 부피에 의존하지 않습니다. 용량은 신체의 모양, 크기 및 환경의 특성에만 의존합니다.

전기용량두 도체의 시스템은 전하 비율로 정의되는 물리량입니다. 큐도체 중 하나의 전위차 Δ φ 그들 사이에:

도체의 전기 용량 크기는 도체의 모양과 크기, 그리고 도체를 분리하는 유전체의 특성에 따라 달라집니다. 전기장이 공간의 특정 영역에만 집중(국소화)되는 도체 구성이 있습니다. 이러한 시스템을 커패시터, 커패시터를 구성하는 도체를 호출합니다. 라이닝.

가장 간단한 커패시터는 판의 크기에 비해 작은 거리에 서로 평행하고 유전층으로 분리된 두 개의 평면 도체판으로 구성된 시스템입니다. 이러한 커패시터를 평평한. 평행판 커패시터의 전기장은 주로 판 사이에 국한됩니다.

플랫 커패시터의 각 충전 플레이트는 표면 근처에 전기장을 생성하며, 그 계수는 위에 이미 주어진 관계로 표현됩니다. 그러면 두 플레이트에 의해 생성된 커패시터 내부의 최종 전계 강도 계수는 다음과 같습니다.

커패시터 외부에서 두 판의 전기장은 서로 다른 방향으로 향하므로 결과적으로 정전기장이 발생합니다. 이자형= 0. 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

따라서 플랫 커패시터의 전기 용량은 플레이트(플레이트)의 면적에 정비례하고 플레이트 사이의 거리에 반비례합니다. 플레이트 사이의 공간이 유전체로 채워지면 커패시터의 용량은 다음과 같이 증가합니다. ε 한 번. 그것을 참고 에스이 공식에는 단 하나의 커패시터 플레이트 영역이 있습니다. 문제에서 "도금 영역"에 대해 말할 때 그들은 정확히 이 값을 의미합니다. 2를 곱하거나 나눌 필요가 없습니다.

다시한번 공식을 제시해보겠습니다. 커패시터 충전. 커패시터의 전하는 양극판의 전하로만 이해됩니다.

커패시터 플레이트 사이의 인력.각 플레이트에 작용하는 힘은 커패시터의 전체 자기장이 아니라 반대편 플레이트에 의해 생성된 자기장에 의해 결정됩니다(플레이트는 자체적으로 작용하지 않습니다). 이 필드의 강도는 전체 필드 강도의 절반과 같으며 판 사이의 상호 작용력은 다음과 같습니다.

커패시터 에너지.커패시터 내부의 전기장의 에너지라고도합니다. 경험에 따르면 충전된 커패시터에는 예비 에너지가 포함되어 있습니다. 충전된 커패시터의 에너지는 커패시터를 충전하기 위해 소비해야 하는 외부 힘의 작업과 같습니다. 커패시터의 에너지에 대한 공식을 작성하는 데는 세 가지 동일한 형태가 있습니다(관계식을 사용하면 하나씩 따릅니다). 큐 = C.U.):

"커패시터가 소스에 연결되어 있습니다."라는 문구에 특히 주의하세요. 이는 커패시터 양단의 전압이 변하지 않음을 의미합니다. 그리고 "커패시터가 충전되고 소스에서 분리되었습니다"라는 문구는 커패시터의 전하가 변하지 않음을 의미합니다.

전기장 에너지

전기 에너지는 충전된 커패시터에 저장된 위치 에너지로 간주되어야 합니다. 현대 개념에 따르면 커패시터의 전기 에너지는 커패시터 플레이트 사이의 공간, 즉 전기장에 국한됩니다. 그러므로 이를 전기장에너지라고 한다. 대전체의 에너지는 전기장이 있는 공간에 집중됩니다. 우리는 전기장의 에너지에 대해 이야기할 수 있습니다. 예를 들어, 커패시터의 에너지는 플레이트 사이의 공간에 집중됩니다. 따라서 새로운 물리적 특성, 즉 전기장의 체적 에너지 밀도를 도입하는 것이 합리적입니다. 예를 들어 플랫 커패시터를 사용하면 체적 에너지 밀도(또는 전기장의 단위 부피당 에너지)에 대해 다음 공식을 얻을 수 있습니다.

커패시터 연결

커패시터의 병렬 연결– 용량을 늘리기 위해. 커패시터는 마치 동일하게 충전된 플레이트의 면적을 늘리는 것처럼 유사하게 충전된 플레이트로 연결됩니다. 모든 커패시터의 전압은 동일하고, 총 전하는 각 커패시터의 전하의 합과 동일하며, 총 커패시턴스는 병렬로 연결된 모든 커패시터의 커패시턴스의 합과 같습니다. 커패시터의 병렬 연결 공식을 적어 보겠습니다.

~에 커패시터의 직렬 연결커패시터 뱅크의 총 용량은 항상 배터리에 포함된 가장 작은 커패시터의 용량보다 작습니다. 직렬 연결은 커패시터의 항복 전압을 높이는 데 사용됩니다. 커패시터를 직렬로 연결하는 공식을 적어 보겠습니다. 직렬 연결된 커패시터의 총 커패시턴스는 다음 관계식에서 구됩니다.

전하 보존 법칙에 따르면 인접한 플레이트의 전하는 동일합니다.

전압은 개별 커패시터의 전압의 합과 같습니다.

직렬로 연결된 두 개의 커패시터의 경우 위 공식은 총 커패시턴스에 대해 다음과 같은 식을 제공합니다.

을 위한 N동일한 직렬 연결 커패시터:

전도성 구체

충전된 도체 내부의 전계 강도는 0입니다.그렇지 않으면 전기력이 도체 내부의 자유 전하에 작용하여 이러한 전하가 도체 내부로 이동하게 됩니다. 이러한 움직임은 실제로 발생하지 않는 충전된 도체의 가열로 이어집니다.

도체 내부에 전기장이 없다는 사실은 다른 방식으로 이해할 수 있습니다. 만약 전기장이 있다면 하전 입자는 다시 움직일 것이며, 이 필드를 자체적으로 0으로 줄이는 방식으로 정확하게 움직일 것입니다. 필드 때문에 사실 그들은 움직이기를 원하지 않을 것입니다. 왜냐하면 모든 시스템은 균형을 위해 노력하기 때문입니다. 조만간 모든 이동 전하는 도체 내부의 필드가 0이 되도록 그 위치에서 정확히 멈출 것입니다.

도체 표면에서는 전계 강도가 최대입니다. 경계 외부에 있는 대전된 공의 전계 강도 크기는 도체로부터의 거리에 따라 감소하며 공의 중심에서 거리를 측정하는 점 전하의 전계 강도 공식과 유사한 공식을 사용하여 계산됩니다. .

충전된 도체 내부의 전계 강도는 0이므로 도체 내부와 표면의 모든 지점의 전위는 동일합니다(이 경우에만 전위차, 즉 전압은 0입니다). 대전된 공 내부의 전위는 표면의 전위와 같습니다.공 외부의 전위는 공 중심에서 거리를 측정하는 점전하 전위 공식과 유사한 공식을 사용하여 계산됩니다.

반지름 아르 자형:

공이 유전체로 둘러싸여 있으면 다음과 같습니다.

전기장에서 도체의 특성

도체 내부의 전계 강도는 항상 0입니다.
도체 내부의 전위는 모든 지점에서 동일하며 도체 표면의 전위와 같습니다. 문제에서 "도체는 전위...V로 충전되어 있습니다"라고 말할 때 이는 정확하게 표면 전위를 의미합니다.
표면 근처의 도체 외부에서 전계 강도는 항상 표면에 수직입니다.
도체에 전하가 가해지면 도체 표면 근처의 매우 얇은 층에 모두 분포됩니다(일반적으로 도체의 전체 전하가 표면에 분포되어 있다고 말합니다). 이것은 쉽게 설명됩니다. 사실은 신체에 전하를 부여할 때 동일한 부호의 전하 캐리어를 신체로 전송한다는 것입니다. 서로 반발하는 전하처럼요. 이는 그들이 가능한 최대 거리까지 서로에게서 도망치려 한다는 것을 의미합니다. 도체의 가장자리에 축적됩니다. 결과적으로 코어가 도체에서 제거되면 정전기 특성이 전혀 변하지 않습니다.
도체 외부에서 도체 표면이 많이 구부러질수록 전계 강도가 커집니다. 장력의 최대값은 도체 표면의 가장자리와 날카로운 파손 근처에서 달성됩니다.

복잡한 문제 해결에 대한 참고 사항

1. 접지무언가는 이 물체의 도체와 지구가 연결되어 있음을 의미합니다. 이 경우 지구와 기존 물체의 전위가 동일해지고 이에 필요한 전하가 도체를 따라 지구에서 물체로 또는 그 반대로 이동합니다. 이 경우 지구가 그 위에 있는 어떤 물체보다 불균형적으로 크다는 사실에 따른 몇 가지 요소를 고려해야 합니다.

지구의 총 전하는 일반적으로 0이므로 전위도 0이며 물체가 지구와 연결된 후에도 0으로 유지됩니다. 한마디로 접지한다는 것은 물체의 전위를 재설정하는 것을 의미합니다.
전위(및 이전에 양수 또는 음수였을 수 있는 물체 자체의 전하)를 재설정하려면 물체는 지구에 일부(아마도 매우 큰) 전하를 수용하거나 제공해야 하며 지구는 항상 이러한 가능성을 제공할 수 있습니다.

2. 다시 한번 반복해 보겠습니다. 반발체 사이의 거리는 속도의 크기가 동일해지고 같은 방향으로 향하는 순간(전하의 상대 속도는 0입니다) 최소화됩니다. 이 순간 전하 상호 작용의 위치 에너지는 최대입니다. 끌어당기는 물체 사이의 거리는 한 방향으로 향하는 속도가 균등해지는 순간에도 최대입니다.

3. 문제가 다수의 전하로 구성된 시스템과 관련된 경우 대칭 중심에 위치하지 않는 전하에 작용하는 힘을 고려하고 설명할 필요가 있습니다.

물리학의 모든 공식과 법칙, 수학의 공식과 방법을 알아보세요. 실제로 이것은 매우 간단합니다. 물리학에는 필요한 공식이 약 200개만 있고 수학에는 그보다 조금 더 적습니다. 이러한 각 과목에는 기본 수준의 복잡성 문제를 해결하기 위한 약 12개의 표준 방법이 있으며, 이를 학습할 수도 있으므로 적시에 대부분의 CT를 어려움 없이 완전히 자동으로 해결할 수 있습니다. 그 후에는 가장 어려운 작업에 대해서만 생각하면 됩니다.
물리학과 수학의 세 단계 리허설 테스트에 모두 참석하세요. 각 RT를 두 번 방문하여 두 옵션을 모두 결정할 수 있습니다. 다시 말하지만, CT에서는 문제를 빠르고 효율적으로 해결하는 능력과 공식 및 방법에 대한 지식 외에도 시간을 적절하게 계획하고 힘을 분배할 수 있어야 하며 가장 중요한 것은 답안 양식을 올바르게 작성할 수 있어야 합니다. 정답과 문제의 수, 또는 자신의 성을 혼동합니다. 또한 RT 중에는 문제에 대해 질문하는 스타일에 익숙해지는 것이 중요합니다. 이는 DT에서 준비되지 않은 사람에게는 매우 이례적으로 보일 수 있습니다.

이 세 가지 사항을 성공적이고 부지런하며 책임감 있게 구현하면 CT에서 자신이 할 수 있는 최대치인 탁월한 결과를 보여줄 수 있습니다.

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... 정전기에 대한 모든 예측은 두 가지 법칙을 따릅니다.
그러나 이러한 것들을 수학적으로 표현하는 것과
쉽고 적절한 재치로 적용하십시오.
리처드 파인만

정전기학은 고정 전하의 상호 작용을 연구합니다. 정전기학에 관한 주요 실험은 17세기와 18세기에 수행되었습니다. 전자기 현상의 발견과 그에 따른 기술 혁명으로 인해 정전기에 대한 관심은 한동안 사라졌습니다. 그러나 현대 과학 연구는 생명체와 무생물의 여러 과정을 이해하는 데 정전기학이 엄청나게 중요하다는 것을 보여줍니다.

정전기와 생명

1953년 미국 과학자 S. Miller와 G. Urey는 "생명의 구성 요소" 중 하나인 아미노산이 지구의 원시 대기와 구성이 유사한 가스를 통해 방전을 통과시켜 얻을 수 있음을 보여주었습니다. 메탄, 암모니아, 수소 및 증기 수. 그 후 50년 동안 다른 연구자들은 이러한 실험을 반복하여 동일한 결과를 얻었습니다. 짧은 전류 펄스가 박테리아를 통과하면 껍질(막)에 구멍이 생기고, 이를 통해 다른 박테리아의 DNA 조각이 통과하여 진화 메커니즘 중 하나가 촉발됩니다. 따라서 지구상의 생명의 기원과 진화에 필요한 에너지는 실제로 번개 방전의 정전기 에너지일 수 있습니다(그림 1).

정전기가 번개를 일으키는 원인

언제든지 지구상의 여러 지점에서 약 2,000개의 번개가 번쩍이고, 매초 약 50개의 번개가 지구에 부딪치고, 지구 표면의 매 평방 킬로미터마다 1년에 평균 6번 번개가 칩니다. 18세기에 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 뇌운에서 떨어지는 번개가 전기 방전이라는 것을 증명했습니다. 부정적인요금. 또한 각 방전은 지구에 수십 쿨롱의 전기를 공급하며 번개가 치는 동안 전류의 진폭은 20~100킬로암페어 범위입니다. 고속 사진을 통해 번개는 10분의 1초 동안만 지속되며 각 번개는 여러 개의 짧은 번개로 구성되어 있음을 보여주었습니다.

20세기 초에 대기 탐사선에 설치된 측정 장비를 사용하여 지구의 전기장을 측정했는데, 표면의 전기장 강도는 약 100V/m로 나타났습니다. 이는 행성의 총 전하량에 해당합니다. 약 400,000C. 지구 대기의 전하 운반체는 이온이며, 그 농도는 고도에 따라 증가하고 고도 50km에서 최대에 도달하며 우주 방사선의 영향으로 전기 전도성 층인 전리층이 형성됩니다. 따라서 지구의 전기장은 약 400kV의 인가 전압을 갖는 구형 축전기의 장이라고 말할 수 있습니다. 이 전압의 영향으로 2-4 kA의 전류가 항상 상위 계층에서 하위 계층으로 흐르고 밀도는 (1–2) 10 –12 A/m 2이며 에너지가 방출됩니다. 1.5GW까지. 그리고 번개가 없다면 이 전기장은 사라질 것입니다! 날씨가 좋으면 지구의 전기 커패시터가 방전되고 뇌우 중에는 충전되는 것으로 나타났습니다.

뇌운은 엄청난 양의 증기이며, 그 중 일부는 작은 물방울이나 얼음 덩어리로 응축되어 있습니다. 뇌운의 꼭대기는 고도 6~7km에 있을 수 있고, 바닥은 고도 0.5~1km에서 땅 위에 매달릴 수 있습니다. 3~4km 이상에서는 온도가 항상 영하이기 때문에 구름은 다양한 크기의 빙원으로 구성됩니다. 이 얼음 조각들은 지구의 가열된 표면으로부터 아래로부터 상승하는 따뜻한 공기의 상승 기류에 의해 끊임없이 움직이고 있습니다. 작은 얼음 조각은 큰 얼음 조각보다 가벼우며 상승하는 기류에 의해 운반되어 도중에 큰 얼음 조각과 충돌합니다. 이러한 충돌이 발생할 때마다 전기가 발생하여 큰 얼음 조각은 음으로 대전되고 작은 얼음 조각은 양으로 대전됩니다. 시간이 지남에 따라 양전하를 띤 작은 얼음 조각은 주로 구름의 상부에 모이고 음전하를 띤 큰 얼음 조각은 바닥에 모입니다(그림 2). 즉, 구름의 상단은 양으로 대전되고 하단은 음으로 대전됩니다. 이 경우 뇌운 바로 아래 지면에 양전하가 유도됩니다. 이제 공기 파괴가 발생하고 뇌운 바닥의 음전하가 지구로 흐르는 번개 방전에 대한 모든 준비가 완료되었습니다.

뇌우가 발생하기 전에 지구 전기장의 강도는 100kV/m에 도달하는 것이 일반적입니다. 즉, 날씨가 좋을 때의 값보다 1000배 더 높습니다. 결과적으로 뇌운 아래 서있는 사람의 머리에있는 각 머리카락의 양전하는 같은 양만큼 증가하고 서로 밀어내어 끝까지 서 있습니다 (그림 3).

Fulgurite - 땅에 번개의 흔적

번개가 방전되는 동안 10 9 –10 10 J 정도의 에너지가 방출됩니다. 이 에너지의 대부분은 천둥, 공기 가열, 빛의 섬광 및 기타 전자기파 방출에 소비되며 극히 일부만 방출됩니다. 번개가 땅에 떨어지는 곳. 하지만 이 "작은" 부분조차도 화재를 일으키거나 사람을 죽이거나 건물을 파괴하기에 충분합니다. 번개는 그것이 이동하는 채널을 30,000°C까지 가열할 수 있는데, 이는 모래의 녹는점(1600~2000°C)보다 훨씬 높습니다. 따라서 번개가 모래에 부딪혀 녹고 뜨거운 공기와 수증기가 팽창하여 녹은 모래에서 튜브를 형성하고 얼마 후 굳어집니다. 이것이 녹은 모래로 만든 속이 빈 원통형의 전구석(천둥 화살, 악마의 손가락)이 탄생하는 방식입니다(그림 4). 발굴된 섬양암 중 가장 긴 것은 지하로 5미터가 넘는 깊이까지 내려갔습니다.

정전기가 번개로부터 보호하는 방법

다행히 대부분의 낙뢰는 구름 사이에서 발생하므로 인간의 건강에 위협이 되지 않습니다. 그러나 번개로 인해 매년 전 세계적으로 1000명 이상이 사망하는 것으로 알려져 있습니다. 적어도 이런 통계가 기록된 미국에서는 매년 천명 가량이 벼락에 시달리고, 그 중 백 명 이상이 사망한다. 과학자들은 이러한 “하느님의 형벌”로부터 사람들을 보호하려고 오랫동안 노력해 왔습니다. 예를 들어, 최초의 전기 축전기(Leyden jar)의 발명가인 Pieter van Muschenbrouck는 유명한 프랑스 백과사전의 전기에 관한 기사에서 번개를 방지하는 전통적인 방법(종소리와 대포 발사)을 옹호했는데, 이는 매우 효과적이라고 믿었습니다. .

1750년 프랭클린은 피뢰침을 발명했습니다. 메릴랜드 주 의사당 건물을 번개로부터 보호하기 위해 그는 건물에 두꺼운 쇠막대를 부착하여 돔 위로 몇 미터 뻗어 땅에 연결했습니다. 과학자는 가능한 한 빨리 사람들에게 서비스를 제공하기를 원하면서 자신의 발명품에 대한 특허를 거부했습니다. 피뢰침의 작용 메커니즘은 대전된 도체 표면 근처의 전계 강도가 이 표면의 곡률이 증가함에 따라 증가한다는 점을 기억하면 쉽게 설명할 수 있습니다. 따라서 피뢰침 끝 근처의 뇌운 아래에서는 전계 강도가 너무 높아서 주변 공기의 이온화와 코로나 방전을 일으킬 것입니다. 결과적으로 번개가 피뢰침에 닿을 가능성이 크게 높아집니다. 따라서 정전기에 대한 지식을 통해 번개의 기원을 설명할 수 있을 뿐만 아니라 번개로부터 보호할 수 있는 방법도 찾을 수 있었습니다.

프랭클린의 피뢰침 소식은 유럽 전역에 빠르게 퍼졌고 그는 러시아 학원을 포함한 모든 학원에 선출되었습니다. 그러나 일부 국가에서는 독실한 사람들이 이 발명품을 분개하여 환영했습니다. 사람이 하나님의 진노의 주요 무기를 그렇게 쉽고 간단하게 길들일 수 있다는 생각 자체가 불경스러워 보였습니다. 따라서 여러 곳에서 사람들은 경건한 이유로 피뢰침을 부러뜨렸습니다.

1780년 프랑스 북부의 한 작은 마을에서 기이한 사건이 발생했는데, 마을 사람들은 철제 피뢰침 기둥을 철거하라고 요구했고 그 문제는 재판에 회부되었습니다. 모호한 주의자들의 공격으로부터 피뢰침을 옹호 한 젊은 변호사는 인간의 마음과 자연의 힘을 정복하는 능력이 모두 신성한 기원이라는 사실에 근거하여 변호했습니다. 생명을 구하는 데 도움이 되는 모든 것은 선을 위한 것이라고 젊은 변호사는 주장했습니다. 그는 소송에서 승리하여 큰 명성을 얻었습니다. 그 변호사의 이름은... 막시밀리안 로베스피에르였습니다.

글쎄요, 이제 피뢰침 발명가의 초상화는 잘 알려진 100달러 지폐를 장식하기 때문에 세계에서 가장 바람직한 복제품입니다.

생명을 되살리는 정전기

축전기 방전으로 인한 에너지는 지구상의 생명체 출현으로 이어질 뿐만 아니라 심장 세포가 동시에 박동을 멈춘 사람들의 생명을 회복시킬 수도 있습니다. 심장 세포의 비동기(혼돈) 수축을 세동이라고 합니다. 심장의 세동은 심장의 모든 세포에 짧은 전류 펄스를 흘림으로써 멈출 수 있습니다. 이를 위해 두 개의 전극이 환자의 가슴에 적용되며, 이를 통해 약 10밀리초의 지속 시간과 최대 수십 암페어의 진폭으로 펄스가 전달됩니다. 이 경우 가슴을 통한 방출 에너지는 400J(2.5m 높이까지 올려진 파운드 추의 위치 에너지와 동일)에 도달할 수 있습니다. 심장 세동을 멈추게 하는 전기 충격을 제공하는 장치를 제세동기라고 합니다. 가장 간단한 제세동기는 용량이 20μF인 커패시터와 인덕턴스가 0.4H인 코일로 구성된 발진 회로입니다. 커패시터를 1~6kV의 전압으로 충전하고 저항이 약 50옴인 환자와 코일을 통해 방전하면 환자를 다시 살리는 데 필요한 전류 펄스를 얻을 수 있습니다.

빛을 주는 정전기

형광등은 전계 강도를 나타내는 편리한 지표 역할을 할 수 있습니다. 이를 확인하려면 어두운 방에 있는 동안 수건이나 스카프로 램프를 문지르십시오. 결과적으로 램프 유리의 외부 표면은 양으로 대전되고 천은 음으로 대전됩니다. 이런 일이 발생하자마자 우리는 충전된 천으로 램프의 접촉한 부분에 빛이 번쩍이는 것을 보게 될 것입니다. 측정 결과 작동 중인 형광등 내부의 전계 강도는 약 10V/m인 것으로 나타났습니다. 이 강도에서 자유 전자는 형광등 내부의 수은 원자를 이온화하는 데 필요한 에너지를 갖습니다.

고전압 전력선(전력선) 아래의 전기장은 매우 높은 값에 도달할 수 있습니다. 따라서 밤에 형광등을 전력선 아래 땅에 꽂으면 매우 밝게 켜집니다 (그림 5). 따라서 정전기장의 에너지를 이용하여 전력선 아래 공간을 조명할 수 있습니다.

정전기가 화재를 경고하고 연기를 더 깨끗하게 만드는 방법

대부분의 경우 화재 경보 감지기 유형을 선택할 때 연기 감지기가 선호됩니다. 화재는 일반적으로 많은 양의 연기 방출을 동반하고 이러한 유형의 감지기가 사람들에게 경고할 수 있기 때문입니다. 위험에 관한 건물. 연기 감지기는 이온화 또는 광전 원리를 사용하여 공기 중의 연기를 감지합니다.

이온화 연기 감지기에는 금속 전극판 사이의 공기를 이온화하는 α 방사선원(보통 아메리슘-241)이 포함되어 있으며, 전극판 사이의 전기 저항은 특수 회로를 사용하여 지속적으로 측정됩니다. α 방사선의 결과로 형성된 이온은 전극 사이에 전도성을 제공하고 거기에 나타나는 연기의 미세 입자는 이온과 결합하여 전하를 중화시켜 전극 사이의 저항을 증가시키고 전기 회로는 소리를 내며 반응합니다. 경보. 이 원리를 기반으로 한 센서는 생명체가 연기의 첫 징후를 감지하기 전에도 반응하여 매우 인상적인 감도를 보여줍니다. 알파선은 종이 한 장도 통과할 수 없고 수 센티미터 두께의 공기층에 완전히 흡수되기 때문에 센서에 사용되는 방사선원은 인간에게 위험을 초래하지 않는다는 점에 유의해야 합니다.

먼지 입자의 전기화 능력은 산업용 정전기 집진기에서 널리 사용됩니다. 예를 들어 위로 올라가는 그을음 입자를 포함하는 가스는 음전하를 띤 금속 메쉬를 통과하여 결과적으로 이러한 입자가 음전하를 얻습니다. 계속해서 위로 올라가면 입자는 양전하를 띤 판의 전기장에서 자신을 발견하고 끌어 당겨진 후 입자가 특수 용기에 떨어지며 주기적으로 제거됩니다.

생체 정전기학

천식의 원인 중 하나는 집먼지진드기(그림 6)의 노폐물입니다. 우리 집에 사는 약 0.5mm 크기의 곤충입니다. 연구에 따르면 천식 발작은 이 곤충이 분비하는 단백질 중 하나에 의해 발생하는 것으로 나타났습니다. 이 단백질의 구조는 말굽 모양과 비슷하며 양쪽 끝이 양전하를 띠고 있습니다. 이러한 말굽 모양의 단백질은 말단 사이의 정전기적 반발력으로 인해 구조가 안정해진다. 그러나 단백질의 특성은 양전하를 중화함으로써 변경될 수 있습니다. 이는 Chizhevsky 샹들리에와 같은 이온화 장치를 사용하여 공기 중 음이온 농도를 증가시킴으로써 수행될 수 있습니다(그림 7). 동시에 천식 발작 빈도는 감소합니다.

정전기는 곤충이 분비하는 단백질을 중화시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라 곤충 자체를 잡는 데도 도움이 됩니다. 충전되면 머리카락이 "끝이 섰다"는 말이 이미 알려져 있습니다. 곤충이 전기를 띠게 되었을 때 어떤 경험을 하는지 상상할 수 있습니다. 다리의 가장 얇은 털은 서로 다른 방향으로 갈라지며 곤충은 움직일 수 있는 능력을 잃습니다. 그림 8의 바퀴벌레 트랩은 이 원리에 기초한 것으로, 바퀴벌레는 미리 정전기를 띤 달콤한 가루에 유인됩니다. 트랩 주변의 경사면을 덮기 위해 파우더(사진에서는 흰색)를 사용합니다. 가루 위에 떨어지면 곤충이 충전되어 함정에 굴러 들어갑니다.

대전방지제란 무엇입니까?

옷, 카펫, 침대보 등의 물체는 다른 물체와 접촉한 후 충전되며, 때로는 단순히 공기 분사로 충전되기도 합니다. 일상생활이나 직장에서 이렇게 발생하는 전하를 흔히 정전기라고 부릅니다.

정상적인 대기 조건에서 천연 섬유(면, 양모, 실크, 비스코스)는 수분을 잘 흡수하므로(친수성) 전기를 약간 전도합니다. 이러한 섬유가 다른 물질과 접촉하거나 마찰할 때 과도한 전하가 표면에 나타나지만 매우 짧은 시간 동안 전하가 다양한 이온을 포함하는 직물의 젖은 섬유를 통해 즉시 역류합니다.

천연 섬유와 달리 합성 섬유(폴리에스테르, 아크릴, 폴리프로필렌)는 수분을 잘 흡수하지 못하고(소수성) 표면에 이동하는 이온이 적습니다. 합성물질이 서로 접촉하면 서로 반대의 전하를 띠게 되는데, 이러한 전하가 매우 천천히 소모되기 때문에 물질이 서로 달라붙어 불편함과 불편함을 느끼게 됩니다. 그런데 머리카락은 구조가 합성 섬유와 매우 유사하고 소수성이므로 빗과 같은 접촉을 하면 전기가 충전되어 서로 밀어내기 시작합니다.

정전기를 제거하기 위해 옷이나 기타 품목의 표면에 수분을 유지하는 물질을 바르면 표면의 이동성 이온 농도를 높일 수 있습니다. 이러한 처리 후에 생성된 전하는 물체 표면에서 빠르게 사라지거나 물체 위에 분산됩니다. 표면의 친수성은 분자가 비누 분자와 유사한 계면활성제로 윤활함으로써 증가할 수 있습니다. 매우 긴 분자의 한 부분은 전하를 띠고 다른 부분은 전하를 띠지 않습니다. 정전기 발생을 방지하는 물질을 정전기 방지제라고 합니다. 예를 들어, 일반 석탄 먼지 또는 그을음은 정전기 방지제이므로 정전기를 제거하기 위해 카펫 및 실내 장식 재료의 함침에는 소위 램프 블랙이 포함됩니다. 동일한 목적으로 최대 3%의 천연 섬유와 때로는 얇은 금속 실이 이러한 재료에 추가됩니다.

정전기학의 기본 개념과 정전기학 교리의 발전

정전기를 정의해보자

정전기학(Electrostatics)은 고정된 전하를 띤 물체의 상호작용을 연구하는 물리학의 한 분야입니다.

그래서 앞으로는 고정 요금에 대해 이야기하겠습니다.

요금에 대한 명확한 정의는 없습니다. 이 지정에는 세 가지 의미가 있습니다.

과학으로서의 정전기학은 쿨롱의 연구에서 유래되었습니다. 그는 전하의 상호 작용 법칙, 도체 표면의 전하 분포 패턴, 전하의 개념 및 분극을 공식화했습니다 (마지막 두 가지에 대해서는 나중에 이야기하겠습니다).

전하의 상호작용 법칙을 '쿨롱의 법칙'이라고 합니다. 1785년에 공식화되었으며 다음과 같습니다.

"진공에서 두 점의 고정된 대전체 사이의 상호 작용력은 전하를 연결하는 직선을 따라 향하며, 전하 계수의 곱에 정비례하고 둘 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다." 삼

이 법은 다음과 같은 혐의에 대해 유효합니다.

A) 중요한 포인트입니다

B) 움직이지 않는다

B) 진공 상태에 있다

벡터 형식으로 법칙은 다음과 같이 작성됩니다.

다음과 같이 열렸습니다.

“전하의 상호 작용 법칙의 발견은 이러한 힘이 크다는 사실로 인해 촉진되었습니다. 특히 민감한 장비를 사용할 필요가 없었습니다. 비틀림 저울이라는 매우 간단한 장치를 사용하여 작은 충전 공이 서로 어떻게 상호 작용하는지 확인할 수 있었습니다.

쿨롱의 비틀림 저울은 얇은 탄성 와이어에 매달린 유리 막대로 구성됩니다.

낮은 척도로 계산됩니다.

쿨롱의 실험 중 하나에서 이 각도는 Φ 1 =36 0과 같았습니다. 그런 다음 펜던트는 볼을 각도 Φ 2 =18 0으로 모으고 막대를 시계 방향으로 회전시킵니다(빨간색 화살표). 이를 위해 막대는 위쪽 눈금을 기준으로 α=126 0 각도로 회전해야 했습니다. 결과적으로 나사산이 비틀린 각도 β는 β= α+Φ 2 =144 0과 같습니다. 이 각도의 값은 비틀림 각도 Φ 1 =36 0의 원래 값보다 4배 더 큽니다. 이 경우 공 사이의 거리가 값에서 변경되었습니다. 아르 자형각도 1에서 값 1까지 아르 자형각도 Φ 2에서 2. 로커암이 같은 경우 디, 저것
그리고
.

여기에서

결과적으로, 거리가 2배로 줄어들면 와이어의 비틀림 각도는 4배로 증가했습니다. 비틀림 변형 중에 힘의 순간은 비틀림 각도에 정비례하고 따라서 힘(힘의 팔은 변하지 않음)에 정비례하기 때문에 힘의 순간은 같은 양만큼 증가합니다. 이는 주요 결론으로 이어집니다. 두 개의 충전된 공 사이의 상호 작용력은 두 공 사이의 거리의 제곱에 반비례합니다.

공의 전하에 대한 힘의 의존성을 확인하기 위해 쿨롱은 공 중 하나의 전하를 변경하는 간단하고 독창적인 방법을 발견했습니다. (쿨롱은 전하를 직접 측정할 수 없었습니다. 당시에는 전하 단위가 확립되지 않았습니다.)

이를 위해 그는 충전된 공을 똑같이 충전되지 않은 공과 연결했습니다. 전하량은 공 사이에 균등하게 분배되어 전하량을 2, 4 등으로 줄였습니다. 전하의 새로운 값에서 힘의 새로운 값은 다시 실험적으로 결정되었습니다. 힘은 공의 전하량의 곱에 정비례한다는 것이 밝혀졌습니다. 에프~ 큐 1 큐 2 » 5

쿨롱의 법칙은 정전기학의 두 가지 기본 법칙 중 하나입니다. 다른 하나는 전하보존의 법칙이다.

"전하 보존의 법칙은 전기적으로 닫힌 시스템의 전하의 대수적 합이 보존된다는 것을 말합니다." 6

쿨롱의 법칙은 전하 간의 상호 작용의 힘에 대해 설명합니다. 이러한 상호작용의 성격에 대한 의문이 제기됩니다. 역사에는 근거리에서의 행동과 원거리에서의 행동이라는 두 가지 관점이 있었습니다. 첫 번째 이론의 본질은 특정 거리에 위치한 신체 간의 상호 작용이 중간 링크(또는 매체)의 도움으로 수행된다는 것입니다. 그리고 두 번째 이론은 상호작용이 공백을 통해 직접적으로 일어난다는 것이다.

단거리 행동 이론으로의 전환은 영국의 위대한 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 시작되었습니다.

패러데이는 전하가 서로 직접 작용하지 않고 각 전하가 주변 공간에 전기장을 생성한다고 믿었습니다.

그러나 패러데이는 자신의 생각을 뒷받침할 증거를 찾지 못했습니다. 그의 모든 추론은 공허함을 통해 한 몸이 다른 몸에 작용할 수 없다는 그의 확신에만 근거한 것입니다.

이 이론은 움직이는 하전 입자의 전자기적 상호 작용을 연구하고 무선 통신 가능성을 발견한 후 성공을 거두었습니다. 무선 통신은 전파가 전자기파이기 때문에 전자기 상호 작용을 통한 통신입니다. 무선 통신의 예를 사용하면 전자기장이 실제로 존재하는 것으로 드러난다는 것을 알 수 있습니다. 과학은 그 분야가 무엇으로 구성되어 있는지 모릅니다. 따라서 전기장에 대한 명확한 정의를 내리는 것은 불가능합니다. 그러나 우리는 그 분야가 물질적이며 다른 것과 혼동하지 않도록 하는 여러 가지 특정 속성을 가지고 있다는 것을 알고 있습니다. 전기장의 주요 특성은 일정한 힘으로 전하에 작용하고 전하에 의해서만 생성된다는 것입니다.

전기장의 정량적 특성은 전기장의 세기이다.

전계 강도( 이자형)는 주어진 지점에서 전기장을 특성화하는 벡터 물리량이며 수치적으로 힘 비율과 동일합니다. 에프이 전하의 크기에 따라 필드의 특정 지점에 배치된 테스트 전하에 작용하는 것 큐 7:

전계 중첩의 원리는 전계 강도와 관련이 있습니다.

공간의 특정 지점에서 다양한 전하가 다음과 같은 강도의 전기장을 생성한다면 등등, 이 시점에서 결과적인 전계 강도는 다음과 같습니다: 8
	공간의 장력 벡터 집합은 장력선이나 힘선의 형태로 표현될 수 있습니다. 장력선은 각 점의 접선이 장력 벡터의 방향과 일치하는 연속 선입니다.