Câmp electric

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 5 mai 2021; verificările necesită 29 de modificări .

Un câmp electric este un tip special de materie care înconjoară fiecare sarcină electrică și exercită o forță asupra tuturor celorlalte sarcini, atrăgându-le sau respingându-le. [1] [2] Câmpurile electrice apar din sarcini electrice sau câmpuri magnetice care variază în timp .

Câmpurile electrice și magnetice sunt considerate manifestări ale unei realități mai generale - câmpul electromagnetic , responsabil pentru una dintre interacțiunile fundamentale ale naturii (împreună cu gravitațional, puternic și slab).

Câmpurile electrice sunt importante în multe domenii ale fizicii și sunt utilizate practic în inginerie electrică. De exemplu, în fizica atomică și chimie , câmpul electric este forța care ține nucleul atomic și electronii împreună în atomi. Această forță este responsabilă pentru legăturile chimice dintre atomi care formează molecule .

Alte aplicații ale câmpurilor electrice includ detectarea mișcării prin tehnici capacitive și un număr tot mai mare de aplicații medicale diagnostice și terapeutice.

Un câmp electric este definit matematic ca un câmp vectorial care se referă la fiecare punct din spațiu o forță (electrostatică sau Coulomb ) per unitate de sarcină aplicată unei sarcini de testare pozitive infinitezimale în repaus în acel punct. [3] [4] [5] Unitatea SI a câmpului electric este volt pe metru (V/m) sau, echivalent, newton pe coulomb (N/C).

Descriere

Câmpul electric este definit în fiecare punct al spațiului ca forța (pe unitate de sarcină) experimentată de o sarcină de test pozitivă extrem de mică plasată în acel punct. [6] :469–70 Deoarece un câmp electric este definit în termeni de forță , iar o forță este un vector (adică având atât mărimea cât și direcția), rezultă că un câmp electric va fi un câmp vectorial . :469–70 Câmpurile vectoriale de acest fel sunt uneori numite câmpuri de forță . Un câmp electric acționează între două sarcini în același mod în care un câmp gravitațional acționează între două mase situate la o anumită distanță, deoarece ambele respectă legea inversului pătratului . [7] Legea lui Coulomb spune că pentru sarcinile staționare, câmpul electric variază în funcție de sarcina sursei și variază invers cu pătratul distanței de la sursă. Aceasta înseamnă că atunci când sarcina sursei se dublează, câmpul electric se dublează, iar dacă sarcina de test este mutată de două ori mai departe de sursă, atunci câmpul în acest punct va fi doar un sfert din puterea sa inițială.

Un câmp electric poate fi vizualizat folosind un set de linii a căror direcție este aceeași cu direcția câmpului în acel punct. Acest concept a fost introdus de Michael Faraday [8] al cărui termen „linii de forță” este încă în uz. Această interpretare este utilă prin faptul că intensitatea câmpului electric este proporțională cu densitatea liniei. [9] Liniile de câmp sunt căile pe care o sarcină pozitivă punctiformă de masă infinitezimală le-ar urma atunci când este forțată să se miște într-o regiune de câmp, similar cu căile pe care le urmează masele de testare într-un câmp gravitațional. Liniile de forță de sarcină staționară au câteva proprietăți importante: liniile de câmp pornesc de la sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative, intră în toate conductoarele bune în unghi drept și nu se încrucișează sau scurtează niciodată. Liniile de câmp sunt convenabile pentru prezentarea schematică; dar câmpul pătrunde de fapt întregul spațiu dintre linii. Puteți desena mai multe sau mai puține linii, în funcție de precizia cu care doriți să reprezentați câmpul. Studiul câmpurilor electrice create de sarcinile staționare se numește electrostatică .

Legea lui Faraday descrie relația dintre câmpurile magnetice și electrice care variază în timp. O modalitate de a afirma legea lui Faraday este că ondularea câmpului electric este egală cu derivata parțială negativă a câmpului magnetic în raport cu timpul. [10] :327 În absența unui câmp magnetic variabil în timp, se spune că câmpul electric este potențial (adică fără rotor). :24,90–91 Aceasta înseamnă că există două tipuri de câmpuri electrice: câmpuri electrostatice și câmpuri care apar din câmpuri magnetice care variază în timp. :305–307 Un câmp electric static este considerat folosind electrostatică, dar cu un câmp magnetic variabil în timp, un câmp electromagnetic trebuie să fie luat în considerare . Studiul câmpurilor magnetice și electrice care variază în timp se numește electrodinamică .

Formulare matematică

Câmpurile electrice sunt cauzate de sarcinile electrice descrise de legea Gauss [11] și de câmpurile magnetice variabile în timp descrise de legea inducției electromagnetice a lui Faraday . [12] Aceste legi sunt suficiente pentru a determina comportamentul unui câmp electric în vid. Cu toate acestea, deoarece câmpul magnetic este descris ca o funcție a câmpului electric, atunci ecuațiile pentru ambele câmpuri sunt legate și împreună formează ecuațiile lui Maxwell, care descriu ambele câmpuri în funcție de sarcini și curenți .

Electrostatică

În cazul particular al unei stări staționare (sarcini și curenți staționari), efectul inductiv Maxwell-Faraday dispare. Cele două ecuații rezultate ( legea lui Gauss și legea lui Faraday fără termenul inductiv ), luate împreună, sunt echivalente cu legea lui Coulomb , care afirmă că o particulă cu sarcină electrică într-un punct (vector rază) acționează cu o forță asupra unei particule. cu o încărcare într-un punct : [13] $\nabla \cdot \mathbf {E} = {\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}$ $\nabla \times \mathbf {E} =0$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$ $q_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$

{\boldsymbol {F}}={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{1}q_{0} \over ({\boldsymbol {x}}_{1}-{ \boldsymbol {x}}_{0})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}_{1,0}

unde este un vector unitar în direcția punct la punct și ε 0 este o constantă electrică (cunoscută și ca „permitivitatea absolută a spațiului liber”) cu unități de C 2 m −2 N −1 . Dacă sarcinile nu sunt în vid, ci într-un dielectric omogen, atunci acesta este înlocuit cu permisivitatea mediului . ${\boldsymbol {r}}_{1,0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $\varepsilon_{0}$ $\varepsilon _{0}\varepsilon$

Când sarcinile și au aceleași semne, această forță este pozitivă și îndreptată departe de cealaltă sarcină, adică particulele se resping reciproc. Când sarcinile sunt de semne opuse, forța este negativă, ceea ce indică faptul că particulele sunt atrase. Pentru a simplifica calculul forței Coulomb pentru orice sarcină în punctul , această expresie poate fi împărțită lăsând expresia care depinde numai de cealaltă sarcină ( sarcină sursă ) [14] $q_{0}$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $q_{0}$

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}}_{0})={{\boldsymbol {F}} \over q_{0}}={1 \over 4\pi \varepsilon _ {0}}{q_{1} \over ({\boldsymbol {x}}_{1}-{\boldsymbol {x}}_{0})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r} }}_{1,0}

Acesta este câmpul electric într-un punct creat de o sarcină punctiformă . Este o funcție vectorială care este egală cu forța Coulomb pe unitate de sarcină experimentată de o sarcină punctuală pozitivă într-un punct . Deoarece această formulă oferă mărimea și direcția câmpului electric în orice punct din spațiu (cu excepția locației sarcinii în sine , unde devine infinită), atunci determină câmpul vectorial . Din formula de mai sus se poate observa că câmpul electric creat de o sarcină punctiformă este oriunde îndreptat departe de sarcină dacă este pozitivă și către sarcină dacă este negativă, iar mărimea sa scade proporțional cu pătratul invers al distanta fata de sarcina. ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$

Forța Coulomb care acționează asupra unei sarcini cu o valoare în orice punct din spațiu este egală cu produsul dintre sarcină și câmpul electric din acel punct $q$

{\boldsymbol {F}}=q{\boldsymbol {E}}

Unitățile SI ale câmpului electric sunt newtoni pe coulomb (N/C) sau volt pe metru (V/m); în unitățile SI de bază este kg⋅m⋅s −3 ⋅A −1.

Principiul suprapunerii

Datorită liniarității ecuațiilor lui Maxwell , câmpurile electrice îndeplinesc principiul suprapunerii , care afirmă că câmpul electric total dintr-un punct din sarcinile distribuite în spațiu este egal cu suma vectorială a câmpurilor electrice create în acest punct de sarcini individuale. Acest principiu este util în calcularea câmpului produs de mai multe sarcini punctiforme. Dacă sarcinile sunt fixate în punctele , atunci în absența curenților, principiul suprapunerii afirmă că câmpul rezultat este suma câmpurilor generate de fiecare particulă și este descris de legea lui Coulomb: $q_{1},q_{2},...,q_{n)$ $\mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2},...\mathbf {x} _{n)$

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={\boldsymbol {E}}_{1}({\boldsymbol {x}})+{\boldsymbol {E}}_{ 2}({\boldsymbol {x))))+{\boldsymbol {E}}_{3}({\boldsymbol {x}})+\cdots =

={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{1} \over ({\boldsymbol {x}}_{1}-{\boldsymbol {x}})^{2} }{\hat {\boldsymbol {r}}}_{1}+{1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{2} \over ({\boldsymbol {x}}_{2} -{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}_{2}+{1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{3} \ peste ({\boldsymbol {x}}_{3}-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}_{3}+\cdots

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={1 \peste 4\pi \varepsilon _{0}}\sum _{k=1}^{N}{q_{k } \over ({\boldsymbol {x}}_{k}-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}_{k}

unde este un vector unitar îndreptat de la un punct la altul . ${\boldsymbol {{\hat {r}}_{k}}}$ ${\boldsymbol {x}}_{k}$ ${\ simbol aldine {x}}$

Distribuție continuă a încărcăturii

Principiul suprapunerii face posibilă calcularea câmpului electric dintr-o distribuție continuă a sarcinii (unde este densitatea de sarcină în coulombs pe metru cub). Având în vedere sarcina din fiecare volum mic de spațiu într-un punct ca sarcină punctuală, atunci câmpul electric din punct poate fi calculat ca $\rho ({\boldsymbol {x))}$ $\rho$ $\rho ({\boldsymbol {x)}')dV$ $dV$ ${\boldsymbol {x}}'$ $d{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})$ ${\ simbol aldine {x}}$

d{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{\rho ({\boldsymbol {x}}')dV \ peste ({\boldsymbol {x}}'-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}'

unde este un vector unitar îndreptat de la spre . Câmpul electric total se găsește prin „adunarea” contribuțiilor tuturor volumelor mici prin integrarea în volumul distribuției sarcinii : ${\pălărie {\boldsymbol {r)}}'$ ${\boldsymbol {x}}'$ ${\ simbol aldine {x}}$ $\rho (x')$

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}\iiiint \limits _{V}\,{\rho ({\ boldsymbol {x}}')dV \over ({\boldsymbol {x}}'-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}'

Ecuații similare sunt scrise pentru sarcina de suprafață cu o distribuție continuă a sarcinii unde este densitatea de sarcină în coulombi pe metru pătrat $\sigma ({\boldsymbol {x))}$ $\sigma$

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}\iint \limits _{S}\,{\sigma ({\ boldsymbol {x}}')dA \over ({\boldsymbol {x}}'-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}'

și pentru sarcini liniare cu o distribuție continuă a sarcinii unde este densitatea de sarcină în coulombi pe metru. $\lambda ({\boldsymbol {x))}$ $\lambda$

{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})={1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}\int \limits _{P}\,{\lambda ({\ boldsymbol {x}}')dL \over ({\boldsymbol {x}}'-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}'

Potential electric

Dacă sistemul este static, astfel încât câmpurile magnetice să nu se modifice în timp, atunci, după legea lui Faraday, câmpul electric este potențial . În acest caz, puteți seta potențialul electric , adică o funcție astfel încât . [15] Acesta este un analog al potențialului gravitațional . Diferența dintre potențialul electric în două puncte din spațiu se numește diferența de potențial (sau tensiune) dintre aceste două puncte. $\Phi$ $\mathbf {E} =-\nabla \Phi$

Cu toate acestea, în cazul general, câmpul electric nu poate fi descris independent de câmpul magnetic. Având în vedere vectorul potențial magnetic A , definit ca , putem seta potențialul electric sub forma $\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A}$ $\phi$

\mathbf {E} =-\nabla \Phi -{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t))

unde este gradientul de potențial electric și este derivata parțială a lui A în raport cu timpul. $\nabla \Phi$ ${\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t))$

Legea inducției lui Faraday poate fi obținută luând rotorul din această ecuație [16]

\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial (\nabla \times \mathbf {A} )}{\partial t))=-{\frac {\partial \mathbf {B } }{\partial t))

care confirmă a posteriori corectitudinea formei alese pentru E.

Reprezentare continuă și discretă a sarcinii

Pentru a scrie ecuațiile electromagnetismului, este mai bine să folosiți funcții continue. Cu toate acestea, uneori este mai convenabil să descrii taxele ca puncte separate; de exemplu, în unele modele este posibil să se descrie electronii ca surse punctuale, unde densitatea de sarcină este infinită pe o regiune infinitezimală a spațiului.

Sarcina situată în matematică poate fi descrisă ca densitatea sarcinii , unde este utilizată funcția delta Dirac (în trei dimensiuni). În schimb, o distribuție continuă a sarcinii poate fi aproximată cu multe sarcini punctiforme mici. $q$ $\mathbf {r_{0}}$ $\rho (\mathbf {r} )=q\delta (\mathbf {r-r_{0)) )$

Câmpuri electrostatice

Câmpurile electrostatice sunt câmpuri electrice care nu se modifică în timp, ceea ce se întâmplă atunci când sarcinile și curenții sunt staționari. În acest caz , legea lui Coulomb descrie complet câmpul electric. [17]

Paralele dintre câmpurile electrostatice și gravitaționale

Legea lui Coulomb care descrie interacțiunea sarcinilor electrice:

\mathbf {F} =q\left({\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{0)}}{\frac {\mathbf {\hat {r)} }{|\mathbf { r} |^{2}}}\right)=q\mathbf {E}

\mathbf {F} =m\left(-GM{\frac {\mathbf {\hat {r)} }{|\mathbf {r} |^{2)}}\right)=m\mathbf {g}

(unde este vectorul unitar), sugerând o similitudine între câmpul electric E și câmpul gravitațional g sau potențialele asociate acestora. Masa este uneori numită „sarcină gravitațională”. [optsprezece] $\mathbf {\hat {r}} =\mathbf {r/|r|}$

Atât forțele electrostatice, cât și cele gravitaționale sunt centrale , conservatoare și respectă legea inversului pătratului .

Câmpuri uniforme

Un câmp uniform este un câmp în care câmpul electric este constant în fiecare punct. Acest lucru poate fi reprezentat aproximativ prin plasarea a două plăci conductoare paralele între ele și menținerea unei tensiuni (diferență de potențial) între ele, dar din cauza efectelor de limită (lângă marginea planurilor), câmpul electric este distorsionat. Presupunând planuri infinite, mărimea câmpului electric E este:

E=-{\frac {\Delta V}{d)}

unde ΔV este diferența de potențial dintre plăci și d este distanța care separă plăcile. Semnul negativ apare atunci când sarcinile pozitive se resping reciproc, astfel încât sarcina pozitivă va fi supusă forței de pe placa încărcată pozitiv în direcția opusă celei în care crește tensiunea. În aplicațiile micro și nano, cum ar fi cele legate de semiconductori, un câmp electric tipic este de ordinul a 10 6 V⋅m -1 , care se realizează prin aplicarea unei tensiuni de ordinul a 1 volt între conductori distanțați la 1 µm.

Câmpuri electrodinamice

Câmpurile electrodinamice sunt câmpuri electrice care se modifică în timp, cum ar fi atunci când sarcinile sunt în mișcare.

În acest caz, câmpul magnetic este creat în conformitate cu legea lui Ampere ( ținând cont de ecuațiile lui Maxwell ), care, împreună cu alte ecuații ale lui Maxwell, definește câmpul magnetic sub forma $\mathbf {B}$

\nabla \times \mathbf {B} =\mu _{0}\left(\mathbf {J} +\varepsilon _{0}{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t }}\dreapta),

unde este densitatea de curent , este permeabilitatea magnetică a vidului și este permisivitatea vidului . Curenții electrici (sarcinile care se mișcă uniform) și derivata parțială a câmpului electric în raport cu timpul contribuie direct la crearea unui câmp magnetic. ${\mathbf {J}}$ $\mu_{0}$ $\varepsilon_{0}$

În plus, ecuația Maxwell-Faraday afirmă

\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t)).

Cele două dintre cele patru ecuații ale lui Maxwell scrise mai sus relaționează strâns câmpurile electrice și magnetice, rezultând un câmp electromagnetic .

Forța experimentată de o sarcină de testare într-un câmp electromagnetic și, în general, este determinată de formula Lorentz

\mathbf {F} =q\mathbf {E} +q\mathbf {v} \times \mathbf {B}

;

în electrostatică sau magnetostatică , în această formulă rămâne doar primul sau, respectiv, al doilea termen.

Energia câmpului electric

Energia totală pe unitatea de volum stocată de câmpul electromagnetic este [19]

u_{EM}={\frac {\varepsilon }{2}}|\mathbf {E} |^{2}+{\frac {1}{2\mu }}|\mathbf {B} | ^{2}

unde ε este permisivitatea mediului în care există câmpul, permeabilitatea sa magnetică , iar E și B sunt vectorii câmpurilor electrice și magnetice. $\mu$

Deoarece câmpurile E și B sunt legate, ar fi eronat să se separe această expresie în contribuții „electrice” și „magnetice”. Totuși, în cazul staționar, câmpurile nu mai sunt cuplate (vezi ecuațiile lui Maxwell ). În acest caz, este logic să se calculeze energia electrostatică pe unitate de volum

u_{ES}={\frac {1}{2}}\varepsilon |\mathbf {E} |^{2}\,,

Astfel, energia totală U stocată în câmpul electric într-un volum dat V este egală cu

U_{ES}={\frac {1}{2}}\varepsilon \int _{V}|\mathbf {E} |^{2}\,\mathrm {d} V\,.

Pe de altă parte, energia electrostatică poate fi calculată în termeni de densitate de sarcină și potențial electric prin integrarea în volumul sistemului: $\rho$ $\Phi$

U_{ES}=\int _{V}\rho \Phi \,\mathrm {d} V\,.

Egalitatea a două expresii pentru energia electrostatică, dintre care una depinde de câmpul electric E , iar cealaltă de potențialul electric , este dovedită prin teorema energiei câmpului integral, integrarea făcându-se pe întreg volumul infinit. [douăzeci] $\Phi$

Câmp de inducție electrică

Ecuația completă a câmpurilor vectoriale

În prezența materiei, este util să extindem conceptul de câmp electric la trei câmpuri vectoriale: [21]

\mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} \!

unde P este polarizarea dielectricului - densitatea în vrac a momentelor dipolului electric și D este câmpul inducției electrice . Deoarece E și P sunt definite separat, această ecuație poate fi folosită pentru a determina D. Interpretarea fizică a lui D nu este la fel de clară ca E (câmp real aplicat materialului) sau P (câmp indus datorită dipolilor electrici din material), dar servește totuși la o simplificare matematică convenabilă, deoarece ecuațiile lui Maxwell pot fi simplificate în termeni de încărcături și curenți liberi .

Raportul materialului

Câmpurile E și D sunt cuplate de constanta dielectrică a materialului ε . [22]

Pentru materialele liniare, omogene, izotrope , E și D sunt proporționale și constante pe tot volumul, fără a depinde de coordonate

\mathbf {D} =\varepsilon \mathbf {E}

Pentru materialele neomogene, există o dependență de coordonate [23]

\mathbf {D(r)} =\varepsilon (\mathbf {r} )\mathbf {E(r)}

Pentru materialele anizotrope , câmpurile E și D nu sunt paralele și, prin urmare, E și D sunt legate prin tensorul de permitivitate (câmp tensor de rang 2 ) sub formă de componente:

D_{i}=\varepsilon _{ij}E_{j)

Pentru medii neliniare, E și D nu sunt proporționale. Materialele pot avea diferite grade de liniaritate, uniformitate și izotropie.

Observarea câmpului electric în viața de zi cu zi

Pentru a crea un câmp electric, este necesar să se creeze o sarcină electrică . Frecați un fel de dielectric pe lână sau ceva asemănător, cum ar fi un stilou din plastic, pe propriul păr curat. O sarcină va fi creată pe mâner și un câmp electric în jurul acestuia. Un stilou încărcat va atrage mici bucăți de hârtie spre sine. Dacă frecați un obiect de lățime mai mare pe lână, de exemplu, o bandă de cauciuc, atunci în întuneric vor fi posibile să vedeți mici scântei care decurg din descărcări electrice .

Un câmp electric apare adesea în apropierea unui ecran de televizor (se aplică televizoarelor CRT ) când televizorul este pornit sau oprit. Acest câmp poate fi simțit prin acțiunea sa asupra firelor de păr de pe brațe sau față.

Metode de calcul al câmpului electric

Calculele câmpului electric pot fi efectuate prin metode analitice [24] [25] [26] sau numerice [27] . Metodele analitice pot fi aplicate doar în cazurile cele mai simple; în practică, metodele numerice sunt utilizate în principal. Metodele numerice includ: metoda grilei sau metoda diferențelor finite ; metode de variație; metoda elementelor finite ; metoda ecuațiilor integrale; metoda taxelor echivalente [27] .

Câmpul electric al Pământului

Pământul are o sarcină negativă de aproximativ 600.000 C. La rândul său, ionosfera Pământului are o sarcină pozitivă. Prin urmare, întreaga atmosferă a Pământului până la o înălțime de aproximativ 50 km este umplută cu un câmp electric, care poate fi considerat aproximativ omogen [28] . Intensitatea acestui câmp este de la 100 la 300 V/m aproape de suprafață. Nu simțim această diferență de potențial, deoarece corpul uman este un conductor, astfel încât sarcina se transferă parțial de la Pământ la acesta. Datorită acestui fapt, corpul formează împreună cu suprafața Pământului o singură suprafață echipotențială (adică diferența de potențial dintre un punct arbitrar la o înălțime de 2 m și suprafața Pământului este de aproximativ 200 de volți, dar diferența de potențial dintre capul omului iar suprafața Pământului pe care se află este aproape de zero) .

Diferența totală de potențial dintre Pământ și ionosferă este de 400.000 de volți [28] .

Câmpul electric al Pământului afectează mișcarea particulelor încărcate în atmosferă. Particulele încărcate pozitiv se deplasează în jos în el, iar particulele încărcate negativ se deplasează în sus. Particulele încărcate se formează în mod constant în atmosferă sub influența razelor cosmice, datorită cărora se menține în ea un curent constant cu o forță de 10-12 amperi pe metru pătrat [28] .

Siguranța în zona de influență a câmpului electric

Un câmp electric apare atunci când există tensiune pe părțile purtătoare de curent ale instalațiilor electrice .

Spațiul în care intensitatea câmpului electric este de 5 kV / m și mai mult este denumit în mod obișnuit zonă periculoasă sau zonă de influență. Aproximativ, această zonă poate fi considerată a fi situată într-un cerc centrat pe locul celei mai apropiate părți sub tensiune și cu o rază de R = 20 m pentru instalațiile electrice de 400-500 kV și R = 30 m pentru instalațiile electrice de 750 m. kV.

În aparatele de comutare exterioare de 110 kV și mai sus și pe liniile aeriene de 330 kV și mai sus, atunci când se efectuează lucrări în zona de influență a unui câmp electric cu o putere mai mare de 5 kV / m, este necesar să se limiteze durata de funcționare a oamenilor. rămâne în conformitate cu cerințele GOST 12.1.protecție).

Cu o intensitate a câmpului electric de până la 5 kV / m, durata șederii în acesta nu este limitată.

Durata de lucru într-un câmp electric cu o putere de la 20 la 25 kV / m nu trebuie să depășească 10 minute. La tensiuni de peste 25 kV / m, trebuie utilizat echipament de protecție pentru a permite munca cu normă întreagă.

Durata permisă de ședere în câmpul electric T, ore, cu o putere în intervalul mai mare de 5 până la 20 kV / m inclusiv este calculată prin formula

$T=50/E-2$ , h

unde E este puterea câmpului electric curent în zona controlată, kV / m.

Cerințele mai mari sunt valabile cu condiția excluderii posibilității expunerii angajaților la descărcări electrice.

Odată cu acțiunea biologică, câmpul electric determină apariția unor descărcări între o persoană și un obiect metalic care are un alt potențial decât o persoană. Dacă o persoană stă direct pe pământ sau pe o bază conductivă împământată, atunci potențialul corpului său este practic zero, iar dacă este izolată de sol, atunci corpul se află sub un anumit potențial, ajungând uneori la câțiva kilovolți.

Evident, atingerea unei persoane izolate de pământ cu un obiect metalic împământat, precum și atingerea unei persoane care are contact cu pământul cu un obiect metalic izolat de pământ, este însoțită de trecerea unui curent de descărcare prin persoană în pământ, ceea ce poate provoca senzații dureroase, mai ales în primul moment. Adesea atingerea este însoțită de o descărcare de scânteie. În cazul atingerii unui obiect metalic lung izolat de sol (conductă, gard de sârmă pe rafturi de lemn etc., sau un acoperiș metalic mare al unei clădiri din lemn etc.), curentul care trece printr-o persoană poate atinge valori care pun viața în pericol. .

Valoarea admisibilă a curentului care trece printr-o persoană pentru o perioadă lungă de timp și datorită influenței câmpului electric al instalațiilor electrice de ultraînaltă tensiune este de aproximativ 50-60 μA, ceea ce corespunde intensității câmpului electric la înălțimea unei persoane de aproximativ 5 kV/m. Dacă, cu descărcări electrice care apar în momentul în care o persoană atinge o structură metalică care are un potențial diferit de cel al unei persoane, curentul constant nu depășește 50-60 μA, atunci persoana, de regulă, nu simte durere. . Prin urmare, această valoare curentă este acceptată ca standard (permis).

Durata permisă de ședere în zona de influență a unui câmp electric fără echipament de protecție poate fi realizată o singură dată sau cu pauze în timpul zilei de lucru. În restul timpului, ar trebui să utilizați echipament de protecție sau să vă aflați într-un câmp electric cu o putere de până la 5 kV / m.

În diferite puncte din spațiu în apropierea instalațiilor electrice, intensitatea câmpului electric are valori diferite și depinde de o serie de factori: tensiunea nominală, distanța (de-a lungul înălțimii și orizontală) a punctului luat în considerare față de curentul purtător. piese etc.

Durata șederii unei persoane în zona controlată este stabilită luând în considerare cea mai mare valoare a tensiunii măsurate.

Principalele mijloace de protecție colectivă împotriva efectelor unui câmp electric de frecvență industrială sunt soiurile staționare și portabile de dispozitive de ecranare.

În cabinele împământate și în corpurile mașinilor, mecanismelor, atelierelor și laboratoarelor mobile, în clădirile din beton armat, în clădirile din cărămidă cu pardoseală din beton armat, cu un cadru metalic sau cu un acoperiș metalic împământat, nu există câmp electric și nu se utilizează echipamente de protecție. necesar.

Dispozitivele de ecranare portabile și mobile trebuie împământate la locul lor de instalare prin conectarea la un dispozitiv de împământare sau structuri metalice care sunt conectate la un dispozitiv de împământare cu un conductor flexibil de cupru cu o secțiune transversală de cel puțin 4 mm 2 .

Dispozitivele de ecranare detașabile trebuie să aibă o legătură galvanică cu mecanismele pe care sunt instalate. Pentru mașinile și mecanismele de împământare, nu este necesară împământarea suplimentară a dispozitivelor de ecranare detașabile.

Împământarea seturilor individuale de ecranare se realizează folosind pantofi speciali cu tălpi conductoare. Când se efectuează lucrări în poziție în picioare pe o bază izolatoare (pardoseală din lemn, izolator, metal vopsit) sau lucrări legate de atingerea structurilor împământate cu o mână neprotejată (cu mănușile sau mănușile îndepărtate), îmbrăcămintea de ecranare trebuie împământă suplimentar prin conectarea acesteia cu un conductor special flexibil, cu o secțiune transversală de 4 mm 2 , la o structură împământată sau la un dispozitiv de împământare.

Este interzisă folosirea truselor individuale de ecranare în timpul lucrului, dacă nu este exclusă posibilitatea atingerii pieselor sub tensiune sub tensiune de până la 1000 V, precum și la testarea echipamentelor (pentru lucrătorii care efectuează direct teste cu tensiune crescută) și sudarea electrică. . Protecția lucrătorilor în acest caz ar trebui să fie efectuată cu ajutorul dispozitivelor de ecranare.

Atunci când se efectuează lucrări la secțiuni ale părților purtătoare de curent deconectate situate în zona de influență a câmpului electric, acestea ar trebui să fie împământate pentru a elimina potențialul indus.

Este interzisă atingerea pieselor sub tensiune deconectate, dar neîmpământate fără echipament de protecție.

Uneltele și echipamentele de reparații care pot fi izolate de pământ trebuie, de asemenea, împământate.

Mașinile și mecanismele pe roți pneumatice, situate în zona de influență a câmpului electric, trebuie să fie împământate. În timpul deplasării lor în această zonă, pentru a elimina potențialul redus, trebuie folosit un lanț metalic, atașat de șasiu sau de caroserie și atinge solul.

Este interzisă alimentarea mașinilor și mecanismelor cu combustibili și lubrifianți în zona de influență a câmpului electric.

Când urcați pe echipamente și structuri situate în zona de influență a unui câmp electric, echipamentul de protecție trebuie utilizat indiferent de valoarea intensității câmpului electric și de durata lucrului în acesta. În cazul ridicării cu un turn telescopic sau cu lift hidraulic, coșurile (leagănele) ale acestora ar trebui să fie echipate cu un ecran sau să fie utilizate truse de ecranare.

Note

↑ Purcell Edward M., Morin David J. Electricity and Magnetism . — al 3-lea. — New York: Cambridge University Press, 2013. — P. 14–20. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Browne, p. 225: „... în jurul fiecărei încărcări există o aură care umple tot spațiul. Aceasta aura este campul electric datorat incarcarii. Câmpul electric este un câmp vectorial... și are o magnitudine și o direcție.”
↑ Richard Feynman. Prelegerile Feynman despre fizică Vol II . - Addison Wesley Longman, 1970. - P. 1-3,1-4. - ISBN 978-0-201-02115-8 .
↑ Purcell. Electricitate și magnetism . - Cambridge University Press, 2013. - P. 15–16. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Serway. Facultatea de fizică, Ed. a X-a. . — Cengage Learning. - P. 532-533. — ISBN 978-1305142824 .
↑ Sears, Francis (1982), University Physics, Ediția a șasea , Addison Wesley, ISBN 0-201-07199-1
↑ Umashankar, Korada (1989), Introduction to Engineering Electromagnetic Fields , World Scientific, ISBN 9971-5-0921-0
↑ Morely & Hughes, Principles of Electricity, Ediția a cincea , ISBN 0-582-42629-4
↑ Tou. Vizualizarea domeniilor și aplicațiilor în inginerie . — John Wiley și fiii. - P. 64. - ISBN 9780470978467 .
↑ Griffiths, David J. (David Jeffery), 1942-. Introducere în electrodinamică. — al 3-lea. - Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall, 1999. - ISBN 0-13-805326-X .
↑ Purcell, p. 25: „Legea lui Gauss: fluxul câmpului electric E prin orice suprafață închisă... este egal cu 1/e ori sarcina totală închisă de suprafață”.
↑ Purcell, p. 356: „Legea inducției lui Faraday”.
↑ Purcell, p7: „... interacțiunea dintre sarcinile electrice în repaus este descrisă de Legea lui Coulomb: două sarcini electrice staționare se resping sau se atrag reciproc cu o forță proporțională cu produsul mărimii sarcinilor și invers proporțională cu pătratul distanta dintre ele.
↑ Purcell, Edward. Electricitate și magnetism, Ed. a II-a. . - Cambridge University Press, 2011. - P. 8–9. — ISBN 978-1139503556 .
↑ cresc. Curl și potențial în electrostatică . physicspages.com (8 octombrie 2011). Preluat la 2 noiembrie 2020. Arhivat din original la 22 martie 2019. (nedefinit)
↑ Huray. Ecuațiile lui Maxwell . — ISBN 978-0-470-54276-7 .
↑ Purcell, pp. 5-7.
↑ Salam, Abdus (16 decembrie 1976). „Quarcii și leptonii ies să se joace” . Un nou om de știință . 72 .
↑ Introduction to Electrodynamics (Ediția a treia), DJ Griffiths, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007, ISBN 81-7758-293-3
↑ Fedosin SG Teorema integrală a energiei câmpului. Jurnalul de Știință al Universității Gazi. Vol. 32, nr. 2, pp. 686-703 (2019). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3252783 . // Teorema energiei câmpului integral .
↑ Electromagnetism (ediția a 2-a), IS Grant, WR Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-92712-9
↑ Electricity and Modern Physics (Ediția a II-a) , GAG Bennet, Edward Arnold (Marea Britanie), 1974, ISBN 0-7131-2459-8
↑ Landau Lev Davidovich, Lifshitz Evgeny M. Electrodynamics of Continuous Media : [ ing. ] . - Pergamon, 1963. - Vol. 8. - P. 285. - "În ecuațiile lui Maxwell... ε este o funcție a coordonatelor." — ISBN 978-0-7581-6499-5 .
↑ Grinberg G. A. Întrebări alese ale teoriei matematice a fenomenelor electrice și magnetice. — M.: AN SSSR, 1948. — 727 p.
↑ Mirolyubov N. N., Kostenko M. V., Levinshtein M. L. Metode de calcul al câmpurilor electrostatice. - M .: Şcoala superioară, 1963. - 416 p.
↑ Smythe W. Electrostatică și electrodinamică. — M.: IL, 1954. — 604 p.
↑ 1 2 Kolechitsky E. S. Calculul câmpurilor electrice ale dispozitivelor de înaltă tensiune. — M.: Energoatomizdat, 1983. — 168 p.
↑ 1 2 3 Electricitate în atmosferă

Literatură

Purcell, Edward. ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM / Purcell, Edward, Morin, David. — al 3-lea. - Cambridge University Press, New York, 2013. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
Browne, Michael. FIZICA PENTRU INGINERIE ŞI ŞTIINŢĂ. — al 2-lea. - McGraw-Hill, Schaum, New York, 2011. - ISBN 978-0-07-161399-6 .