静电学
想知道闪电是怎么发生的吗?或者为什么当你在黑暗的房间里脱掉毛衣时,你会看到火花?那你来对地方了。静电学是物理学的分支可以帮助解释这些神奇的奇迹。它非常重要,因为它可以用来解释自然静电现象,并帮助我们学习如何解决这一领域的基本问题。下一个什么?让我们一起探索这个充满有趣现象的世界吧!
简介
的指控在宇宙中被观察到的只有两种类型:正的和负的。这些电荷以不同的方式相互作用;一般来说,我们可以这么说同种电荷相互排斥彼此,与电荷吸引对方。具体来说,它们的交互方式如下:
注:电荷是守恒的,即电荷既不能产生也不能消灭。
现在让我们来理解静电学的一个最基本的概念:电荷的量子化。
量化的指控:
许多人未能理解的一个最基本的原理是电荷的量子化,根据这一原理,电荷只能是一个整数倍数基本电荷 .从数学上讲,我们可以说
但这很简单,因为我们知道指控,也就是质子(+ve)或电子(-ve),是不可分割的。因此电荷不可能是a分数,因为质子不能进一步分裂。
但是如果我们考虑量子物理,质子可以被进一步划分为夸克的小数值 更确切地说,是三分之一的比例。但它们总是在群体中被发现(以质子的形式)。
质子(量子模型):
现在我们已经理解了电荷不可能是分数,我们将试着熟悉力在两个指控之间,在著名人士的帮助下库仑定律.
库仑定律:
这一定律指出,两个电荷之间的力与电荷的乘积成正比,与电荷间距的平方成反比。因此,我们有
现在,我们引入一个比例常数 (库仑常数):
电场和电场线:
电场线是电场中的虚曲线,如果把点电荷放在电场中,它会沿着这些虚曲线移动。正电荷和负电荷的电场线是不同的。对于正电荷,电场线向外无限延伸,而对于负电荷,电场线似乎是向内的。
但当两个电荷相互作用时,情况就不同了。我们可以把它分为两种情况:第一种是两种电荷不一样的情况,第二种是它们相似的情况。下面的图片可以帮助你理解它:
但是如果我们想量子化电场,我们这样做,数学上,
欲了解更多信息,请访问场线和场强.
叠加
主要文章:电场的叠加.
宇宙中每一个带电粒子或带电粒子系统都会产生电场在它周围的空间里。这个域可以用库仑定律.但是,如果空间中有两个或更多的电荷会发生什么呢?它们周围区域的电场会受到什么影响?叠加原理帮助我们理解这一现象。
叠加原理:
它指出,空间中的每一个电荷都在某一点上产生电场,与该介质中其他电荷的存在无关。合成的电场是向量由单个电荷引起的电场之和。
直线收费:两项指控 而且 保持在棒的端点 的长度 在真空。这两个电荷在棒的中心产生的电场的大小是多少?
根据叠加原理,每个电荷产生独立于其他电荷的电场。让电场通过 而且 是 而且 分别。利用库仑定律,我们得到
现在, 而且 是反向的。它们之间的夹角是 弧度。因此,
三角形中的电荷:
三个费用 而且 放在等边三角形的顶点上 在真空。求电荷所产生的电场力的大小 .
数据:
让我们考虑电荷的相互作用 两项指控都是分开的。
让电场通过电荷 而且 是 而且 分别。
的大小 而且 可以用库仑定律计算: 利用叠加原理,我们有 让力起作用 是 然后
试着用直线和三角形上的电荷的概念来解决这个问题。
导体中的电荷分布
板间电荷分布可以用以下基本原理计算:
导体内部的电场
在导体内部的任何一点,电场等于零。这一现象可以用一个事实来解释,即导体上的所有电荷都向导体的外表面移动。局部电荷守恒
存在于隔离导体上的电荷是守恒的,即导体上的净电荷保持不变。导体电势
导体的表面是一个等势面,因为电场为零,导体表现得像一个等势面。
球内电荷:
让我们研究空心球中的电荷分布。首先,我们看到电荷是如何分布在球体上的;通过牛顿壳定理时,分布在球体上的电荷可以看作是在球体中心等大小的点电荷。因此,我们可以认为电场是向外或向内的,这取决于球体所携带的电荷。
两个带电极板间电荷分布:
考虑以下情况:
有两个带初始电荷的平板 而且 分别。利用上述规则和高斯定律分别求出两个电荷的内外电荷。
根据规则1,两个板内部的净电场应该为零,即。 但是所附的电荷等于 .因此
现在,在点 净电荷是零。由一个大的带电板产生的电荷由 所以,网球场在 是 因此,情况如下:
现在,在这两种指控中使用规则2,我们有
两个带电极板之间的电荷分布,其中一个/两个都接地
电场影响下的电荷重排
应用程序
静电学特别是物理领域吗电动力学这在现实生活中有很多例子。在他们当中,闪电和范德格拉夫发生器我们是一对夫妻,一个是自然的,而另一个是人类有史以来最巧妙的发明之一。
我们将在下面详细讨论这两个问题,并希望向你展示科学的绝对之美,尤其是物理学。
闪电
所以,我们都见过闪电。是天气不太好的时候天空中的火花。但是,相信我,它并不像看起来那么无聊!我们都知道,从以前讨论的话题,两个物体有电位差,总是会导致电荷从更高的潜在的区域到较低的区域。好吧,闪电就是这样!
在暴风雨中,或者在潮湿的天气里,云层之间以及云层和地面之间的空气会变得部分稀薄电离,即它允许负责在空气中流动,不像炎热天气里的中性空气。所以,这导致了两个表面之间的电位差,这进一步导致了电荷的流动,因此就产生了一种形式的电击曲折的弹.这种突然放电的发生是因为两个物体都具有非常多的电荷,因此它们变得非常不稳定,因此它们通过这个过程达到平衡。
现在,出现的基本问题是,“为什么是锯齿形?”
原因很简单。最小路径电阻这条路是雷击中每一次冲锋的动机。此外,整个大气随湿度变化,温度,压力当我们沿着它前进的时候。这导致了电阻的波动,因此这条路永远不会是直线的,而是闪电可能采取的数百万种可能性之一!
范德格拉夫发生器
列表上的下一个应用是令人惊异的范德格拉夫发生器。在我看来,它是人类大脑最好的发明之一,但它的原理很简单。
所以,想象一下:你想创造一个非常高的潜在的障碍物或物体与其周围环境之间非常高的电位差。如果你用传统的方法从物体外部积累电荷,它会得到真的越往后越难,因为你必须面对越来越多的排斥。克服这一问题,并产生巨大的电位差,可用于各个领域;例如,在加速亚原子粒子时,我们使用这个装置。
范德格拉夫发电机的工作是相当酷,老实说。所发生的是我们使用的运动原理电荷从高电位到低电位。在上图中,你可以看到一个指向对象D在底部和一个尖的物体E在顶部。这些被称为刷子,它们有助于收集或存放电荷。
画笔D在一个绝缘和旋转的薄片上沉积一个正电荷,然后将这个电荷传输到电刷上E,这反过来又让电荷流过它,并最终沉积在更大的球体上。这样,我们就能产生数百万伏特的电位差,只有当我们到达击穿电压仪器周围的环境。
现在问题来了,“为什么我们不会像以前那样面对类似的排斥?”
这是一个完全符合逻辑的假设,但问题是,现在,我们传输的电荷不是与更大球体上的电荷相对(因为它所有的电荷都在它的外表面)。此外,通过一些数学运算,你可以清楚地显示出更大的球的势能总是内滑轮大于内滑轮,以防带正电荷。
最后,如果你有一丁点的兴趣,我强烈建议你去看看这收集静电实验和麻省理工学院一位教授的讲座,这位教授非常擅长他的研究。(相信我!: P)