Достижения Ампера в области электричества
Андре-Мари Ампер является одним из великих ученых XIX века, который внес значительный вклад в развитие электричества. Его исследования и открытия привели к созданию фундаментальных законов и концепций, которые оказали глубокое влияние на науку.
Законы Ампера
Ампер стал пионером в изучении электрических токов и формулировал несколько ключевых законов, названных в его честь. Один из таких законов – закон Ампера – устанавливает зависимость магнитного поля от силы тока и расстояния до проводника.
Электродвижущая сила
Своим открытием концепции электродвижущей силы, Ампер разработал основы для понимания процессов генерации и распределения электрической энергии. Это понятие остается ключевым при изучении электротехники.
Экспериментальные исследования
Ампер не только формулировал теории, но и проводил множество экспериментов для демонстрации своих открытий. Один из самых известных экспериментов связан с взаимодействием электрических токов, что привело к созданию электродвигателей и генераторов.
Открытие Ампера: электричество и магнетизм
Открытие Ампера о том, что электрический ток создает магнитное поле, было революционным для науки. Это позволило понять взаимосвязь между электричеством и магнетизмом и сформировало основу для дальнейшего развития электротехники.
Знание об открытиях и достижениях Ампера не только позволяет лучше понять историю развития электричества, но и служит основой для создания новых технологий и инноваций в современном мире.
Ампер: Основы электромагнетизма
Андре-Мари Ампер, французский физик и математик, стал ключевой фигурой в развитии теории электромагнетизма. Его открытия положили основу для многих современных технологий и наук. Давайте рассмотрим ключевые принципы, установленные Ампером:
Закон Ампера
Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Этот закон имеет фундаментальное значение для понимания взаимодействия между электричеством и магнетизмом.
Электрические молекулы
Ампер предположил существование электрически заряженных элементарных частиц, которые он назвал электрическими молекулами, предвосхитив тем самым идею о существовании электронов.
Закон электромагнитной индукции
Изменение магнитного потока через замкнутую поверхность индуцирует электрический ток в цепи. Этот закон был важным для разработки генераторов и трансформаторов.
Взаимодействие между токами
Ампер установил, что параллельные токи одного направления притягиваются, а токи противоположного направления отталкиваются. Этот принцип имеет ключевое значение для понимания магнитных явлений.
Заключение
Андре-Мари Ампер сделал значительный вклад в развитие электромагнетизма и оказал огромное влияние на современные научные открытия и технологии. Его работы легли в основу многих фундаментальных принципов в области физики.
Электрические поля: основные понятия и свойства
Итак, благодаря вкладу этого электрического гения, мы можем наслаждаться всеми удобствами, которые электричество предоставляет нам в наших домах. Включаете ли вы кофеварку, чтобы зарядиться энергией, или наслаждаетесь вечерним кино при идеальном освещении, Ampère всегда будет рядом, в уголке нашей розетки, заставляя все работать как по волшебству.
Итак, в следующий раз, когда вы будете наслаждаться чудесным электричеством в своей повседневной жизни, вспомните Андре-Мари Ампера и поблагодарите его за весь его вклад! Без него мы были бы в полной темноте! До новых встреч, электрифицированные друзья!
Электрические и магнитные поля
Электрические и магнитные поля рассматриваются как проявления более общей физической реальности — электромагнитного поля, ответственного за одно из фундаментальных взаимодействий природы (наряду с гравитационным, сильным и слабым). Частным случаем электрического поля является электростатическое.
Применения электрических полей
Электрические поля важны во многих областях физики и используются практически в электротехнике. Например, в атомной физике и химии электрическое поле — это сила удерживающая атомное ядро и электроны вместе в атомах. Эта сила отвечает за химические связи между атомами, в результате которых образуются молекулы. Другие использования электрических полей включают обнаружение движения посредством ёмкостных методов и растущее число диагностических и терапевтических медицинских применений.
Регистрация и некоторые свойства
В общем случае поле зависит от трёх пространственных координат и времени.
Электрическое поле, в зависимости от способа его создания, может быть или не быть потенциальным. Электростатическое поле потенциально всегда.
Достаточно часто электрическое поле сосуществует с магнитным полем, причём имеет место взаимопревращение переменных электрического и магнитного полей, например в электромагнитной волне.
За некоторыми исключениями, электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции, то есть поле нескольких источников есть сумма полей, создаваемых источниками.
Создание электрического поля
Электрическое поле может быть создано:
- Электрическим зарядом
- Изменением магнитного поля во времени
- Разделением электрических зарядов
Под электрическим полем одновременно понимаются:
- Поле напряжённости
- Потенциальное поле
Электрическое поле положительного точечного электрического заряда изображается линиями электрического поля, которые указывают направление электрического поля в пространстве.
Построение силовых линий в электростатике
Обычно к построению силовых линий прибегают для стационарного (электростатического) случая. Силовые линии стационарных зарядов начинаются от положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами. Они входят во все хорошие проводники под прямым углом, и они никогда не пересекаются и не замыкаются. Линии поля удобны для схематичного представления; однако поле фактически пронизывает всё пространство между линиями.
Можно нарисовать больше или меньше линий в зависимости от желаемой степени детализации.
Уравнения Максвелла
Основными уравнениями теории электромагнетизма являются уравнения Максвелла. Всего их четыре:
- Уравнение Гаусса для электрического поля
- Уравнение Гаусса для магнитного поля
- Циркуляционное уравнение для электрического поля
- Циркуляционное уравнение для магнитного поля
В одно из этих уравнений напряжённость электрического поля входит в явном виде, ещё в два — через вектор электрического смещения. Кроме названных величин, в уравнениях фигурируют индукция и напряжённость магнитного поля. Прочие обозначения:
- (J) — плотность электрического тока (А/м²)
- (\rho) — плотность заряда (Кл/м³)
- (\nabla) — оператор набла
- (t) — время
Это так называемая дифференциальная форма уравнений Максвелла.
Заряд в базовых уравнениях
При работе с уравнениями электромагнетизма лучше использовать непрерывные функции и распределённый заряд. Так, в выражение для электрического заряда чаще всего входит его объёмная плотность. При необходимости, точечный заряд (q), расположенный в месте с радиус-вектором (r), математически можно описать как плотность заряда (\rho), где используется дельта-функция Дирака.
Но уравнения Максвелла могут быть переписаны в интегральной форме, и тогда можно оперировать такими величинами, как заряд или ток (а не плотность заряда, плотность тока). Кроме того, есть физические ситуации, когда традиционно удобнее учитывать штучность, дискретность зарядов, например, в некоторых моделях можно описывать электроны как точечные источники.
Ввиду линейности уравнений Максвелла, электрические поля удовлетворяют принципу суперпозиции, который гласит, что полное электрическое поле в точке (P), создаваемое несколькими источниками, есть сумма полей этих источников:
[ E = \sum_{k} E_k ]Потенциалы электрического поля
В общем случае электрическое поле нельзя описать независимо от магнитного поля. Учитывая векторный потенциал электромагнитного поля (\text{A}), определённый как (\text{B} = \text{\nabla} \times \text{A}), можно задать электрический потенциал в виде:
[ V = – \text{\nabla} \Phi – \dfrac{\partial \text{A}}{\partial t} ]Уравнения Максвелла могут быть переписаны с использованием скалярного () и векторного () потенциалов, что иногда удобно для вычислений.
Виды электрических полей
Электростатические поля — это электрические поля, которые не меняются со временем, существующие, когда заряды неподвижны, а токи, если они есть, постоянны. В этом случае закон Кулона
Электродинамические поля — это электрические поля, которые меняются со временем, например, когда заряды находятся в движении.
В этом случае электрическое и магнитное поля связаны, причём магнитное поле — в соответствии с законом Ампера, с учётом уравнения Максвелла — определяется из уравнения в виде (слева — дифференциальном, справа — интегральном):
где — плотность тока, — магнитная проницаемость вакуума, — диэлектрическая проницаемость вакуума, и — электрическая и магнитная проницаемости среды (возможно, координатно-зависимые). Интегрирование выполняется по произвольному контуру и по поверхности, натянутой на него, — полный ток, пронизывающий контур. Электрические токи и частная производная электрического поля по времени вносят непосредственный вклад в создание магнитного поля.
Кроме того, уравнение Максвелла — Фарадея утверждает (снова слева — дифференциальный вид, справа — интегральный):
Сила, испытываемая пробным зарядом в электромагнитном (совокупно электрическом плюс магнитном) поле, а общем случае определяется формулой Лоренца
в электростатике или магнитостатике в этой формуле остаётся, соответственно, только первое или только второе слагаемое.
Однородное поле — это поле, не зависящее от координат. Приблизительно такое электрическое поле возникает, если разместить две проводящие пластины параллельно друг другу и поддерживать между ними напряжение (разность потенциалов), хотя из-за граничных эффектов (около краёв) электрическое поле искажается.
В предположении бесконечных плоскостей величина электрического поля в пространстве между ними составляет , где ΔV — разность потенциалов между пластинами, а d — расстояние, разделяющее пластины. Отрицательный знак возникает, когда положительные заряды отталкиваются, поэтому на положительный заряд будет действовать сила от положительно заряженной пластины в направлении, противоположном тому, в котором увеличивается напряжение.
Однородное поле может зависеть от времени , синхронно изменяясь во всех точках рассматриваемой области (в приведённом примере — если ΔV = ΔV()), но чаще однородное поле рассматривается в задачах электростатики.
В микро- и нано- приложениях, например относящихся к полупроводникам, типичная величина электрического поля составляет порядка , которое достигается за счет приложения напряжения порядка 1 вольта между проводниками, расположенными на расстоянии 1 мкм друг от друга.
Электрическое поле в среде
Электрическое поле (линии со стрелками) заряда индуцирует поверхностные заряды ( и области) на металлических объектах из-за электростатической индукции.
Реакция материальной среды на наложение электрического поля зависит от того, насколько свободными являются электрические заряды (ионы, электроны, дырки) этой среды. Если они могут свободно перемещаться, то на поверхности возникает индуцированный заряд, распределённый таким образом, чтобы воспрепятствовать проникновению поля вглубь образца — такой вариант реакции (см. рис.) типичен для проводящих металлических материалов. Если заряды свободно перемещаться не могут, то происходит их локальное, на атомных масштабах, смещение, в результате чего в местах неоднородностей материала и на границах появляется связанный заряд — такой отклик характерен для диэлектриков (см. в статье Диэлектрическая проницаемость). В полупроводниках возможна «смешанная» реакция. Перемещённые электрические заряды сами становятся источниками поля, искажая картину поля во всём пространстве.
Отклик среды на электрическое поле зависит от скорости изменения поля (заряды могут не успевать смещаться) и может сильно различаться в зависимости от частоты. Для диэлектриков эта деталь характеризуется частотной зависимостью проницаемости.
где P — поляризованность диэлектрика — объемная плотность электрических дипольных моментов, а D — поле электрической индукции. Поскольку E и P определяются отдельно, это уравнение можно использовать для определения D. Физическая интерпретация D не так ясна, как E (фактически поле, приложенное к материалу) или P (индуцированное поле из-за электрических диполей в материале), но всё же служит удобным математическим упрощением, поскольку уравнения Максвелла можно упростить в терминах свободных зарядов и токов.
Для линейных, однородных, изотропных материалов E и D пропорциональны и постоянны во всём объёме, без зависимости от координат
Для анизотропных материалов поля E и D не параллельны, и поэтому E и D связаны посредством тензора диэлектрической проницаемости (поле тензора 2-го ранга) в компонентной форме:
Для нелинейных сред E и D непропорциональны. Материалы могут иметь различную степень линейности, однородности и изотропии.
Энергия электрического поля
См. также: Закон сохранения энергии
Поскольку поля E и B связаны, было бы искусственным разделять это выражение на «электрический» и «магнитный» вклады. Однако в стационарном случае поля не связаны. В этом случае имеет смысл вычислить электростатическую энергию в единице объёма
Таким образом, полная энергия U, запасённая в электрическом поле в данном объёме V, равна
С другой стороны, электростатическая энергия может быть вычислена через плотность заряда и электрический потенциал путём интегрирования по объёму системы:
Наблюдение электрического поля в быту
Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Если натереть какой-либо диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные чистые волосы, то на диэлектрике (ручке) создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, скажем, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.
Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана (относится к телевизорам с ЭЛТ) при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.
Электрическое поле Земли
Электрическое поле возникает при наличии напряжения на токоведущих частях электроустановок.
Пространство, в котором напряжённость электрического поля равна 5 кВ/м и больше, принято называть опасной зоной или зоной влияния. Приближённо можно считать, что эта зона лежит в пределах круга с центром в точке расположения ближайшей токоведущей части, находящейся под напряжением, и радиусом R = 20 м для электроустановок 400—500 кВ и R = 30 м для электроустановок 750 кВ.
В ОРУ 110 кВ и выше и на ВЛ 330 кВ и выше при выполнении работ в зоне влияния электрического поля напряжённостью свыше 5 кВ/м необходимо ограничивать длительность пребывания людей согласно требованиям ГОСТ 12.1.002 или применять средства защиты от воздействия электрического поля (далее — средства защиты).
Наряду с биологическим действием электрическое поле обусловливает возникновение разрядов между человеком и металлическим предметом, имеющим иной по сравнению с телом человека потенциал. Если человек стоит непосредственно на земле или на токопроводящем заземлённом основании, то потенциал его тела практически равен нулю, а если он изолирован от земли, то тело оказывается под некоторым потенциалом, достигающим иногда нескольких киловольт.
Основными средствами коллективной защиты от воздействия электрического поля промышленной частоты являются стационарные и переносные разновидности экранирующих устройств.
Переносные и передвижные экранирующие устройства необходимо заземлять на месте их установки с помощью присоединения к заземляющему устройству или металлическим конструкциям, которые соединены с заземляющим устройством, гибким медным проводником сечением не менее 4 мм2.
В заземлённых кабинах и кузовах машин, механизмов, передвижных мастерских и лабораторий, в зданиях из железобетона, в кирпичных зданиях с железобетонным перекрытием, металлическим каркасом или заземлённой металлической кровлей электрическое поле отсутствует и применения средств защиты не требуется.