الشحنة الكهربائية هي كمية عددية فيزيائية تحدد قدرة الأجسام على أن تكون مصدرًا للمجالات الكهرومغناطيسية والمشاركة في التفاعل الكهرومغناطيسي.

في النظام المغلق، يبقى المجموع الجبري لشحنات جميع الجسيمات دون تغيير.

(... ولكن ليس عدد الجسيمات المشحونة، حيث أن هناك تحولات للجسيمات الأولية).

نظام مغلق

- نظام من الجسيمات لا تدخل إليه الجزيئات المشحونة من الخارج ولا تخرج منها.

قانون كولوم

- القانون الأساسي للكهرباء الساكنة.

إن قوة التفاعل بين جسمين مشحونين ثابتين في الفراغ تتناسب طرديا

حاصل ضرب وحدات الشحن ويتناسب عكسيا مع مربع المسافة بينهما.

متى تعتبر الأجسام أجساما نقطية؟ - إذا كانت المسافة بينهما أكبر بعدة مرات من حجم الجسمين.

إذا كان لجسمين شحنات كهربائية، فإنهما يتفاعلان وفقًا لقانون كولوم.

توتر الحقل الكهربائي. مبدأ التراكب. عملية حسابية المجال الكهروستاتيكيأنظمة الشحنات الدقيقة المبنية على مبدأ التراكب.

شدة المجال الكهربائي هي كمية فيزيائية متجهة تميز المجال الكهربائي عند نقطة معينة وتساوي عدديًا نسبة القوة يتصرف على ثابت [شحنة الاختبار وضعت في هذه النقطةالمجالات، لحجم هذه الشحنة :

يعد مبدأ التراكب أحد القوانين الأكثر عمومية في العديد من فروع الفيزياء. في أبسط صيغته، ينص مبدأ التراكب على ما يلي:

نتيجة التأثير على جسيم متعدد قوى خارجيةهو المجموع المتجه لتأثير هذه القوى.

المبدأ الأكثر شهرة هو التراكب في الكهرباء الساكنة، والذي ينص على أن قوة المجال الكهروستاتيكي المتولدة عند نقطة معينة بواسطة نظام الشحنات هي مجموع شدة المجال للشحنات الفردية.

4. خطوط التوتر (خطوط القوة) للمجال الكهربائي. تدفق ناقلات التوتر. كثافة خطوط الكهرباء

يتم تمثيل المجال الكهربائي باستخدام خطوط القوة.

تشير خطوط المجال إلى اتجاه القوة المؤثرة على شحنة موجبة عند نقطة معينة في المجال.

خصائص خطوط المجال الكهربائي

خطوط المجال الكهربائي لها بداية ونهاية. يبدأون ب شحنات إيجابيةوتنتهي بالنفي.

تكون خطوط المجال الكهربائي دائمًا متعامدة مع سطح الموصل.

توزيع خطوط المجال الكهربائي يحدد طبيعة المجال. قد يكون المجال شعاعي(إذا كانت خطوط القوة تخرج من نقطة واحدة أو تتقارب عند نقطة واحدة)، متجانس(إذا كانت خطوط المجال متوازية) و غير متجانسة(إذا كانت خطوط المجال غير متوازية).

9.5. تدفق ناقلات قوة المجال الكهربائي. نظرية غاوس

أما بالنسبة لأي شخص حقل شعاعيمن المهم النظر في خصائص تدفق المجال الكهربائي. يتم تعريف تدفق المجال الكهربائي بشكل تقليدي.

دعونا نختار منطقة صغيرة بمساحة Δ س، ويتم تحديد اتجاهه بواسطة ناقل الوحدة العادي (الشكل 157).

في منطقة صغيرة، يمكن اعتبار المجال الكهربائي موحدًا، ثم تدفق متجه الكثافة Δ Fيتم تعريف E على أنه منتج مساحة الموقع والمكون الطبيعي لمتجه التوتر

أين - المنتج العددي للمتجهات و ؛ ه n هو مكون ناقل التوتر الطبيعي للموقع.

في المجال الكهروستاتيكي التعسفي، يتم تحديد تدفق ناقل الكثافة من خلال سطح تعسفي بالطريقة الآتية(الشكل 158):

وينقسم السطح إلى مناطق صغيرة Δ س(والتي يمكن اعتبارها مسطحة)؛

يتم تحديد ناقل التوتر في هذا الموقع (والذي يمكن اعتباره ثابتًا داخل الموقع)؛

يتم حساب مجموع التدفقات عبر جميع المناطق التي ينقسم إليها السطح

ويسمى هذا المبلغ تدفق متجه شدة المجال الكهربائي عبر سطح معين.

تسمى الخطوط المستمرة التي تتطابق ظلالها عند كل نقطة تمر من خلالها مع متجه التوتر خطوط المجال الكهربائي أو خطوط التوتر.
تكون كثافة الخطوط أكبر عندما تكون شدة المجال أكبر. خطوط قوة المجال الكهربائي الناتجة عن الشحنات الثابتة ليست مغلقة: فهي تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة. يسمى المجال الكهربائي الذي تكون قوته متساوية في جميع نقاط الفضاء متجانس.تكون كثافة الخطوط أكبر بالقرب من الأجسام المشحونة، حيث يكون التوتر أكبر. لا تتقاطع خطوط القوة لنفس المجال، وأي شحنة في المجال الكهربائي تتأثر بقوة. إذا تحركت شحنة تحت تأثير هذه القوة، فإن المجال الكهربي سيعمل. إن عمل القوى لتحريك شحنة في مجال إلكتروستاتيكي لا يعتمد على مسار الشحنة ويتم تحديده فقط من خلال موضع نقطتي البداية والنهاية. ولنتأمل هنا مجالًا كهربائيًا منتظمًا يتكون من ألواح مسطحة مشحونة بشكل مختلف. قوة المجال هي نفسها في جميع النقاط. دع شحنة نقطة q تتحرك من النقطة A إلى النقطة B على طول المنحنى L. عندما تتحرك الشحنة بكمية صغيرة D L، فإن الشغل يساوي حاصل ضرب حجم القوة في حجم الإزاحة وجيب التمام الزاوية بينهما، أو، وهو نفس الشيء، حاصل ضرب حجم الشحنة النقطية في مجالات الكثافة وإسقاط ناقل الإزاحة على اتجاه ناقل التوتر. إذا كنت تعول وظيفة بدوام كاملعن طريق تحريك الشحنة من النقطة أ إلى النقطة ب، فإنه، بغض النظر عن شكل المنحنى L، سوف يتحول إلى عمل متساوعن طريق تحريك الشحنة q على طول خط الكهرباءإلى النقطة ب1. إن شغل الانتقال من النقطة B 1 إلى النقطة B يساوي صفرًا، لأن متجه القوة ومتجه الإزاحة متعامدان.

5. نظرية غاوس للمجال الكهربائي في الفراغ

صياغة عامة: ناقل التدفق قوة المجال الكهربائيمن خلال أي سطح مغلق تم اختياره بشكل تعسفي يتناسب مع ما هو موجود داخل هذا السطح الشحنة الكهربائية.

النظام العالمي المنسق عالمياً	سي

يمثل هذا التعبير نظرية غاوس في شكل متكامل.

تعليق: تدفق ناقل التوتر عبر السطح لا يعتمد على توزيع الشحنة (ترتيب الشحنة) داخل السطح.

في الصورة التفاضلية، يتم التعبير عن نظرية غاوس على النحو التالي:

النظام العالمي المنسق عالمياً	سي

هنا هي كثافة الشحنة الحجمية (في حالة وجود وسيط، الكثافة الإجمالية للشحنات الحرة والمقيدة)، و - مشغل أوبلا.

يمكن إثبات نظرية غاوس كنظرية في الكهرباء الساكنة بناءً على قانون كولوم ( انظر أدناه). ومع ذلك، فإن الصيغة صحيحة أيضًا في الديناميكا الكهربائية، على الرغم من أنها لا تعمل في أغلب الأحيان كنظرية يمكن إثباتها، ولكنها تعمل كمعادلة مفترضة (بهذا المعنى والسياق يكون من المنطقي أكثر أن نسميها قانون غاوس .

6. تطبيق نظرية غاوس لحساب المجال الكهروستاتيكي لخيط طويل مشحون بشكل منتظم (الأسطوانة)

مجال الاسطوانة اللانهائية المشحونة بشكل موحد (الخيط). أسطوانة لا نهائية نصف قطرها R (الشكل 6) مشحونة بشكل موحد الكثافة الخطيτ (τ = –dQ/dt الشحن لكل وحدة طول). ومن اعتبارات التناظر، نرى أن خطوط التوتر سيتم توجيهها على طول نصف قطر المقاطع الدائرية للأسطوانة بكثافة متساوية في جميع الاتجاهات بالنسبة لمحور الأسطوانة. دعونا نبني عقليًا أسطوانة محورية نصف قطرها r وارتفاعها كسطح مغلق ل. ناقل التدفق همن خلال نهايات الاسطوانة المحورية يساوي صفر (الأطراف وخطوط التوتر متوازية)، ومن خلال السطح الجانبي يساوي 2πr ل E. باستخدام نظرية غاوس، لـ r>R 2πr له = τ ل/ε 0 , من أين (5) إذا ص

7. تطبيق نظرية غاوس لحساب المجال الكهروستاتيكي لمستوى مشحون بشكل منتظم

مجال الطائرة اللانهائية المشحونة بشكل موحد. المستوى اللانهائي (الشكل 1) مشحون بثابت كثافة السطح+σ (σ = dQ/dS - الشحن لكل وحدة سطحية). وتكون خطوط التوتر متعامدة مع هذا المستوى وموجهة منه في كل اتجاه. لنأخذ سطحًا مغلقًا أسطوانة قاعدتها موازية للمستوى المشحون ومحورها متعامد عليها. نظرًا لأن مولدات الأسطوانة موازية لخطوط شدة المجال (cosα = 0)، فإن تدفق متجه الكثافة عبر السطح الجانبي للأسطوانة يساوي صفرًا، والتدفق الإجمالي عبر الأسطوانة يساوي مجموع يتدفق عبر قواعده (مساحات القواعد متساوية وبالنسبة للقاعدة E n تتطابق مع E)، أي تساوي 2ES. الشحنة الموجودة داخل السطح الأسطواني المبني تساوي σS. وفقًا لنظرية غاوس، 2ES=σS/ε 0، والتي (1) من الصيغة (1) يترتب عليها أن E لا يعتمد على طول الأسطوانة، أي أن شدة المجال عند أي مسافة متساوية في الحجم، في حالات أخرى الكلمات، مجال الطائرة المشحونة بشكل موحد بشكل متجانس.

8. تطبيق نظرية غاوس لحساب المجال الكهروستاتيكي لكرة مشحونة بشكل موحد وكرة مشحونة حجميا.

مجال سطح كروي مشحون بشكل موحد. سطح كروي نصف قطره R مع شحنة إجمالية Q مشحون بشكل موحد كثافة السطح+σ. لأن يتم توزيع الشحنة بالتساوي على السطح، والمجال الذي تخلقه له تماثل كروي. وهذا يعني أن خطوط التوتر موجهة بشكل شعاعي (الشكل 3). دعونا نرسم ذهنيًا كرة نصف قطرها r، والتي لها مركز مشترك مع كرة مشحونة. إذا كانت r>R,ro فإن الشحنة الكاملة Q تدخل إلى السطح، مما يخلق المجال قيد النظر، ووفقًا لنظرية غاوس، 4πr 2 E = Q/ε 0، ومن هنا (3) بالنسبة إلى r>R، يتناقص المجال مع المسافة r وفقًا لنفس القانون المطبق على تهمة نقطة. يظهر اعتماد E على r في الشكل. 4. إذا ص"

مجال الكرة المشحونة حجميا. يتم شحن كرة نصف قطرها R مع إجمالي الشحنة Q بشكل موحد الكثافة الظاهريةρ (ρ = dQ/dV - الشحن لكل وحدة حجم). ومع الأخذ في الاعتبار اعتبارات التماثل المشابهة للنقطة 3، يمكن إثبات أنه بالنسبة لشدة المجال خارج الكرة سيتم الحصول على نفس النتيجة كما في الحالة (3). داخل الكرة، ستكون قوة المجال مختلفة. مجال نصف قطره r"

9. عمل قوى المجال الكهربائي عند تحريك الشحنة. نظرية تداول شدة المجال الكهربائي.

إن الشغل الأولي الذي تبذله القوة F عند نقل شحنة كهربائية نقطية من نقطة من المجال الكهروستاتيكي إلى أخرى على طول مقطع المسار يساوي، حسب التعريف،

أين هي الزاوية بين متجه القوة F واتجاه الحركة. إذا كان الشغل يتم بواسطة قوى خارجية، فإن dA0. بدمج التعبير الأخير، نحصل على أن العمل ضد قوى المجال عند نقل شحنة الاختبار من النقطة "أ" إلى النقطة "ب" سيكون مساوياً لـ

أين تؤثر قوة كولوم على شحنة الاختبار عند كل نقطة من المجال بكثافة E. ثم الشغل

دع الشحنة تتحرك في مجال الشحنة q من النقطة "a"، البعيدة عن q على مسافة، إلى النقطة "b"، البعيدة عن q على مسافة (الشكل 1.12).

كما يتبين من الشكل، ثم نحصل

كما ذكرنا سابقًا، فإن عمل قوى المجال الكهروستاتيكية المؤثرة على القوى الخارجية يساوي في الحجم ومعاكسًا في الإشارة لعمل القوى الخارجية، وبالتالي

نظرية دوران المجال الكهربائي.

توترو محتمل- هاتان خاصيتان لنفس الجسم - المجال الكهربائي، لذلك يجب أن يكون هناك اتصال وظيفي بينهما. وبالفعل عملت القوات الميدانية على تحريك الشحنة سمن نقطة في الفضاء إلى أخرى يمكن تمثيلها بطريقتين:

ومن حيث يترتب على ذلك

هذا ماتراه انت اتصالبين شدة المجال الكهربائي وإمكاناته التفاضلياستمارة.

- متجه موجه من نقطة ذات إمكانات أقل إلى نقطة ذات إمكانات أكبر (الشكل 2.11).

, .

الشكل 2.11. ثلاثة أبعاد و غرادφ. .

من خاصية إمكانات المجال الكهروستاتيكي يترتب على ذلك أن عمل قوى المجال على طول حلقة مغلقة (φ 1 = φ 2) يساوي الصفر:

حتى نتمكن من الكتابة

المساواة الأخيرة تعكس الجوهر ثانية النظرية الرئيسيةالكهرباء الساكنة – نظريات دوران المجال الكهربائي ، وفقا لما التداول الميداني على امتداد من كفاف مغلق التعسفي يساوي الصفر.هذه النظرية هي نتيجة مباشرة الإمكانات المجال الكهروستاتيكي.

10. إمكانات المجال الكهربائي. العلاقة بين الجهد والجهد.

إمكانات الكهرباء الساكنة(أنظر أيضا إمكانات كولومب ) - العددية طاقةصفة مميزة المجال الكهروستاتيكي، تميز الطاقة الكامنةالمجال الذي واحد تكلفة، وضعت في نقطة معينة في الميدان. وحدة قياسوبالتالي فإن الإمكانات هي وحدة قياس عمل، مقسوما على وحدة القياس تكلفة(لأي نظام من الوحدات؛ المزيد عن وحدات القياس - انظر أدناه).

إمكانات الكهرباء الساكنة- مصطلح خاص لاستبدال محتمل للمصطلح العام للديناميكا الكهربائية الإمكانات العددية في حالة خاصة الكهرباء الساكنة(تاريخيًا، ظهرت الإمكانات الكهروستاتيكية أولاً، والإمكانات العددية للديناميكا الكهربائية هي تعميمها). استخدام المصطلح الإمكانات الكهروستاتيكيةيحدد وجود سياق كهرباء. إذا كان هذا السياق واضحا بالفعل، فغالبا ما يتحدثون عنه ببساطة محتملدون الصفات المؤهلة.

الجهد الكهربائي يساوي النسبة الطاقة الكامنةالتفاعلات تكلفةمع المجال لحجم هذه الشحنة:

قوة المجال الكهروستاتيكيوترتبط الإمكانات بالعلاقة

أو العكس :

هنا - مشغل أوبلا أي أنه على الجانب الأيمن من المساواة يوجد ناقص الانحدارالإمكانات - ناقل بمكونات مساوية اشتقاق جزئيمن الإمكانات على طول الإحداثيات الديكارتية (المستطيلة) المقابلة، المأخوذة بالعلامة المعاكسة.

باستخدام هذه العلاقة و نظرية غاوسبالنسبة لشدة المجال، فمن السهل أن نرى أن الإمكانات الكهروستاتيكية مرضية معادلة بواسون. في وحدات النظام سي:

أين هي الإمكانات الكهروستاتيكية (في فولت) - الحجمي كثافة الشحنة(الخامس المعلقاتلكل متر مكعب)، أ - فراغ (في فارادلكل متر).

11. طاقة نظام الشحنات الكهربائية الثابتة.

طاقة نظام رسوم النقطة الثابتة. كما نعلم بالفعل، فإن قوى التفاعل الكهروستاتيكي متحفظة؛ هذا يعني أن نظام الشحنات لديه طاقة محتملة. سنبحث عن الطاقة الكامنة لنظام مكون من شحنتين نقطيتين ثابتتين Q 1 و Q 2، وتقعان على مسافة r من بعضهما البعض. كل من هذه الشحنات في مجال الأخرى لديها طاقة محتملة (نستخدم صيغة جهد الشحنة المنفردة): حيث φ 12 و φ 21 هما، على التوالي، الإمكانات التي تم إنشاؤها بواسطة الشحنة Q 2 عند النقطة حيث توجد الشحنة Q 1 وبالشحنة Q 1 عند النقطة التي توجد فيها الشحنة Q 2. وفقًا لذلك، W 1 = W 2 = W وبإضافة الشحنات Q 3، Q 4، ... إلى نظامنا المكون من شحنتين متتاليتين، يمكننا إثبات أنه في حالة الشحنات الثابتة n، فإن طاقة التفاعل لـ نظام رسوم النقطة يساوي (1) حيث φ i هي الإمكانات التي يتم إنشاؤها عند النقطة التي تقع فيها الشحنة Q i بواسطة جميع الشحنات باستثناء الشحنة i.

12. ثنائي القطب في المجال الكهربائي. الجزيئات القطبية وغير القطبية. استقطاب العوازل. الاستقطاب. متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف.

إذا وضعت عازلًا في مجال كهربائي خارجي، فسوف يصبح مستقطبًا، أي أنه سيتلقى عزم ثنائي القطب غير صفري pV = ∑pi، حيث pi هي عزم ثنائي القطب لجزيء واحد. لإنتاج وصف كمي لاستقطاب العازل الكهربائي، يتم تقديم كمية متجهة - الاستقطاب، والذي يتم تعريفه على أنه عزم ثنائي القطب لكل وحدة حجم للعازل الكهربائي:

ومن المعروف من خلال التجربة أنه بالنسبة لفئة كبيرة من المواد العازلة (باستثناء المواد الكهروضوئية، انظر أدناه) فإن الاستقطاب P يعتمد خطيًا على شدة المجال E. إذا كان العازل متناحيًا و E ليس كبيرًا جدًا من الناحية العددية، إذن

متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف- العوازل الكهربائية ذات الاستقطاب التلقائي (العفوي) في نطاق درجة حرارة معين، أي الاستقطاب في غياب مجال كهربائي خارجي. تشمل الكهرباء الحديدية، على سبيل المثال، ملح روشيل NaKC 4 H 4 O 6 4 H 2 O، الذي تمت دراسته بالتفصيل بواسطة I. V. Kurchatov (1903-1960) وP. P. Kobeko (1897-1954) (الذي اشتق منه هذا الاسم) وتيتانات الباريوم BaTiO 3 .

استقطاب العوازل- ظاهرة مرتبطة بالنزوح المحدود المرتبط بها رسومالخامس عازلأو عن طريق تحويل الكهربائية ثنائيات القطب، عادة تحت تأثير خارجي الحقل الكهربائيوأحيانا تحت تأثير قوى خارجية أخرى أو بشكل عفوي.

يتميز استقطاب العوازل الكهربائية بـ ناقلات الاستقطاب الكهربائي . المعنى المادي لمتجه الاستقطاب الكهربائي هو عزم ثنائي الاقطاب، لكل وحدة حجم من العازل. في بعض الأحيان يُطلق على ناقل الاستقطاب اسم الاستقطاب ببساطة.

ثنائي القطب الكهربائي- نظام مثالي محايد كهربائيًا يتكون من نقطة ومتساوية في القيمة المطلقة الإيجابية والسلبية الشحنات الكهربائية.

بمعنى آخر، ثنائي القطب الكهربائي عبارة عن مزيج من شحنتين متساويتين في القيمة المطلقة متعاكستين تقعان على مسافة معينة من بعضهما البعض

يسمى حاصل ضرب المتجه من شحنة سالبة إلى شحنة موجبة بالقيمة المطلقة للشحنات عزم ثنائي القطب:

في المجال الكهربائي الخارجي، يؤثر عزم القوة على ثنائي القطب الكهربائي، الذي يميل إلى تدويره بحيث يدور عزم ثنائي القطب على طول اتجاه المجال.

الطاقة الكامنة لثنائي القطب الكهربائي في مجال كهربائي (ثابت) تساوي (في حالة المجال غير المنتظم، هذا يعني الاعتماد ليس فقط على عزم ثنائي القطب - مقداره واتجاهه، ولكن أيضًا على الموقع) ، نقطة موقع ثنائي القطب).

بعيد عن ثنائي القطب الكهربائي كثافته الحقل الكهربائييتناقص مع المسافة، أي أسرع من تهمة نقطة ().

أي نظام محايد كهربائيًا بشكل عام يحتوي على شحنات كهربائية، بشكل تقريبي (أي في الواقع). تقريب ثنائي القطب) يمكن اعتباره ثنائي القطب الكهربائي مع لحظة حيث تكون شحنة العنصر وناقل نصف القطر. وفي هذه الحالة يكون تقريب ثنائي القطب صحيحاً إذا كانت المسافة التي يتم عندها دراسة المجال الكهربائي للنظام كبيرة مقارنة بأبعاده المميزة.

المواد القطبيةالخامس كيمياء - مواد, جزيئاتالتي لديهم عزم ثنائي القطب الكهربائي. تتميز المواد القطبية، بالمقارنة مع المواد غير القطبية، بارتفاعها ثابت العزل الكهربائي(أكثر من 10 في الطور السائل)، زيادة درجة حرارة الغليانو درجة حرارة الانصهار.

عادة ما تنشأ لحظة ثنائي القطب بسبب اختلاف كهرسلبيةمكونات الجزيء الذرات، لأن الذي مجال الاتصالاتفي الجزيء يكتسب قطبية. ومع ذلك، للحصول على عزم ثنائي القطب، لا يلزم وجود قطبية الروابط فحسب، بل أيضًا ما يقابلها الموقع في الفضاء. جزيئات لها شكل مشابه للجزيئات الميثانأو ثاني أكسيد الكربون، غير قطبية.

القطبية المذيباتبكل سرور تذوبالمواد القطبية، ولها أيضا القدرة مذابالأيونات. ومن أمثلة المذيبات القطبية ماء, الكحولياتوغيرها من المواد.

13. شدة المجال الكهربائي في العوازل. التحيز الكهربائي. نظرية غاوس للمجال في العوازل.

تعتمد شدة المجال الكهروستاتيكي حسب (88.5) على خواص الوسط: في وسط متناحٍ متجانس تكون شدة المجال هيتناسب عكسيا مع . ناقل التوتر ه، يمر عبر حدود العوازل الكهربائية، ويخضع لتغيير مفاجئ، مما يخلق إزعاجًا عند حساب المجالات الكهروستاتيكية. لذلك، اتضح أنه من الضروري، بالإضافة إلى ناقل الكثافة، توصيف المجال ناقلات الإزاحة الكهربائية,والتي بالنسبة للوسط المتناحي كهربائيًا، بحكم التعريف، تساوي

باستخدام الصيغتين (88.6) و (88.2)، يمكن التعبير عن متجه الإزاحة الكهربائية على النحو التالي:

وحدة الإزاحة الكهربائية هي كولوم لكل متر مربع (C/m2).

دعونا نفكر في ما يمكن أن يرتبط به ناقل الإزاحة الكهربائية. تظهر الشحنات المقيدة في العازل الكهربائي في وجود مجال إلكتروستاتيكي خارجي تم إنشاؤه بواسطة نظام من الشحنات الكهربائية الحرة، أي في العازل، يتم فرض حقل إضافي من الشحنات المقيدة على المجال الكهروستاتيكي للشحنات الحرة. حقل النتيجةفي العزل الكهربائي يوصف بواسطة ناقل الجهد هوبالتالي يعتمد الأمر على خصائص العازل. المتجه ديصف المجال الكهروستاتيكي الذي تم إنشاؤه رسوم مجانية.ومع ذلك، يمكن أن تتسبب الشحنات المقيدة الناشئة في العازل الكهربائي في إعادة توزيع الشحنات الحرة التي تنشئ المجال. لذلك المتجه ديميز المجال الكهروستاتيكي الذي تم إنشاؤه رسوم مجانية(أي في الفراغ)، ولكن مع هذا التوزيع في الفضاء كما هو الحال في وجود عازل.

نفس المجال ه، مجال ديصور باستخدام خطوط الإزاحة الكهربائية,يتم تحديد اتجاهها وكثافتها بنفس الطريقة تمامًا كما هو الحال في خطوط التوتر (انظر الفقرة 79).

خطوط المتجهات ه يمكن أن تبدأ وتنتهي بأي رسوم - حرة ومقيدة، بينما خطوط المتجهات د - فقط برسوم مجانية. من خلال مناطق المجال حيث توجد الشحنات المقيدة، خطوط المتجهات دتمر دون انقطاع.

مجانا مغلقالأسطح ستدفق المتجهات دمن خلال هذا السطح

أين د ن- الإسقاط المتجه دإلى وضعها الطبيعي نالى الموقع د س.

نظرية غاوسل المجال الكهروستاتيكي في العزل الكهربائي:

(89.3)

أي أن تدفق ناقل الإزاحة للمجال الكهروستاتيكي في مادة عازلة عبر سطح مغلق اعتباطي يساوي المجموع الجبري لتلك الموجودة داخل هذا السطح حرالشحنات الكهربائية. في هذا النموذج، تكون نظرية غاوس صالحة للمجال الكهروستاتيكي سواء بالنسبة للوسائط المتجانسة أو المتناحية أو غير المتجانسة أو متباينة الخواص.

للفراغ د ن =  0 ه ن ( =1)، ثم تدفق ناقل التوتر همن خلال سطح مغلق تعسفي (راجع (81.2)) يساوي

وحسب المصادر الميدانية هتوجد شحنات حرة ومقيدة في الوسط، ثم نظرية غاوس (81.2) للمجال هفي الشكل الأكثر عمومية يمكن كتابتها كـ

حيث يتم، على التوالي، تغطية المجاميع الجبرية للشحنات الحرة والمقيدة بسطح مغلق س. ومع ذلك، هذه الصيغة غير مقبولة لوصف المجال هفي عازل لأنه يعبر عن خواص مجال مجهول همن خلال الرسوم المرتبطة بها، والتي بدورها تحددها. وهذا يثبت مرة أخرى جدوى إدخال ناقل الإزاحة الكهربائية.

. شدة المجال الكهربائي في العزل الكهربائي.

وفقا لل مبدأ التراكبالمجال الكهربائي في العزل الكهربائي هو مجموع متجه للمجال الخارجي ومجال شحنات الاستقطاب (الشكل 3.11).

أو بالقيمة المطلقة

نرى أن شدة المجال في العازل الكهربائي أقل منها في الفراغ. وبعبارة أخرى، أي عازل يضعفالمجال الكهربائي الخارجي.

الشكل 3.11. المجال الكهربائي في العزل الكهربائي.

تحريض المجال الكهربائي حيث . ومن ناحية أخرى، حيث نجد ذلك ε 0 ه 0 = ε 0 εEوبالتالي شدة المجال الكهربائي متماثلعازل لديه:

تكشف هذه الصيغة المعنى الجسديثابت العزل الكهربائي ويبين أن شدة المجال الكهربائي في العازل هي مرات أقلمما كانت عليه في الفراغ. وهذا يؤدي إلى قاعدة بسيطة: لكتابة صيغ الكهرباء الساكنة في عازل، من الضروري في الصيغ المقابلة للكهرباء الساكنة بجانب يصف .

بخاصة، قانون كولومفي شكل عددي سيتم كتابته على النحو التالي:

14. القدرة الكهربائية. المكثفات (المسطحة، الكروية، الأسطوانية) وسعاتها.

يتكون المكثف من موصلين (لوحتين) مفصولتين بمادة عازلة. لا ينبغي أن تتأثر سعة المكثف بالأجسام المحيطة، وبالتالي يتم تشكيل الموصلات بحيث يتركز المجال الناتج عن الشحنات المتراكمة في فجوة ضيقة بين ألواح المكثف. يتم استيفاء هذا الشرط عن طريق: 1) لوحين مسطحين؛ 2) مجالين متحدة المركز؛ 3) اسطوانتين محوريتين. لذلك، اعتمادا على شكل اللوحات، يتم تقسيم المكثفات إلى مسطحة وكروية واسطوانية.

وبما أن المجال يتركز داخل المكثف، فإن خطوط الشدة تبدأ على إحدى اللوحتين وتنتهي على اللوحة الأخرى، وبالتالي فإن الشحنات الحرة التي تنشأ على الصفائح المختلفة تكون متساوية في الحجم ومتعاكسة في الإشارة. تحت سعةيُفهم المكثف على أنه كمية فيزيائية تساوي نسبة الشحنة Q المتراكمة في المكثف إلى فرق الجهد (φ 1 - φ 2) بين ألواحه: (1) دعونا نجد سعة مكثف مسطح يتكون من لوحتان معدنيتان متوازيتان مساحة كل منهما S، وتقعان على مسافة d من بعضهما البعض ولهما شحنات +Q و –Q. فإذا افترضنا أن المسافة بين اللوحين صغيرة مقارنة بأبعادها الخطية فإنه يمكن إهمال تأثيرات الحواف على اللوحين ويمكن اعتبار المجال بين اللوحين موحدا. يمكن العثور عليه باستخدام صيغة إمكانات المجال لطائرتين متوازيتين لا نهائيتين مشحونتين بشكل معاكس φ 1 -φ 2 = σd/ε 0. مع الأخذ في الاعتبار وجود عازل بين اللوحات: (2) حيث ε هو ثابت العزل الكهربائي. ثم من الصيغة (1) مع استبدال Q=σS ومع الأخذ في الاعتبار (2) نجد تعبير لسعة مكثف مسطح: (3) لتحديد سعة مكثف أسطواني يتكون من اسطوانتين متحدتي المحور مجوفتين مع نصف القطر r 1 و r 2 (r 2 > r 1)، يتم إدخال أحدهما في الآخر، مع إهمال تأثيرات الحافة مرة أخرى، فإننا نعتبر المجال متماثلًا شعاعيًا ويعمل فقط بين الألواح الأسطوانية. نحسب فرق الجهد بين الألواح باستخدام صيغة فرق الجهد في مجال أسطوانة لا نهائية مشحونة بشكل موحد ذات كثافة خطية τ =Q/ ل (ل- طول البطانات). إذا كان هناك عازل بين اللوحين فإن فرق الجهد هو (4) بالتعويض بـ (4) في (1) نجد تعبيراً لسعة مكثف أسطواني: (5) لإيجاد سعة مكثف كروي، والتي يتكون من لوحين متحدين المركز تفصل بينهما طبقة عازلة كروية، نستخدم صيغة فرق الجهد بين نقطتين تقعان على مسافة r 1 و r 2 (r 2 > r 1) من مركز السطح الكروي المشحون. إذا كان هناك عازل بين اللوحين فإن فرق الجهد (6) وبالتعويض (6) في (1) نحصل على

القدرة الكهربائية- خاصية الموصل، ومقياس لقدرته على التراكم الشحنة الكهربائية. في نظرية الدائرة الكهربائية، السعة هي السعة المتبادلة بين موصلين؛ معلمة عنصر سعوي للدائرة الكهربائية، مقدمة في شكل شبكة ذات طرفين. يتم تعريف هذه السعة على أنها نسبة حجم الشحنة الكهربائية إلى التباينات المحتملةبين هذه الموصلات.

في النظام سييتم قياس القدرة في فاراد. في النظام النظام العالمي المنسق عالمياًالخامس سم.

بالنسبة لموصل واحد، السعة تساوي نسبة شحنة الموصل إلى جهده، على افتراض أن جميع الموصلات الأخرى بلا نهايةتمت إزالته وأن إمكانات النقطة عند اللانهاية تعتبر صفرًا. في الشكل الرياضي، هذا التعريف له الشكل

أين - تكلفة- إمكانات الموصل.

يتم تحديد السعة من خلال الأبعاد الهندسية وشكل الموصل والخواص الكهربائية للبيئة (ثابت العزل الكهربائي) ولا تعتمد على مادة الموصل. على سبيل المثال، قدرة الكرة الموصلة لنصف القطر رمتساوي (في نظام SI):

أين ε 0 - ثابت كهربائي, ε - .

يشير مفهوم السعة أيضًا إلى نظام الموصلات، على وجه الخصوص، إلى نظام مكون من موصلين منفصلين عازلأو مكنسة، - ل مكثف. في هذه الحالة السعة المتبادلةمن هذه الموصلات (ألواح المكثفات) ستكون مساوية لنسبة الشحنة المتراكمة بواسطة المكثف إلى فرق الجهد بين الألواح. في حالة مكثف ذو لوحة متوازية تكون السعة تساوي:

أين س- مساحة اللوح الواحد (يفترض أنهما متساويان)، د- المسافة بين اللوحات، ε - ثابت العزل الكهربائي النسبيالبيئة بين الصفائح، ε 0 = 8.854·10 −12 فهرنهايت/م - ثابت كهربائي.

مكثف(من خطوط العرض. مكثف- "مدمج"، "سميك") - شبكة ذات محطتينبمعنى معين حاوياتومنخفضة أوميك التوصيل; جهاز التخزين تكلفةوطاقة المجال الكهربائي. المكثف هو مكون إلكتروني سلبي. يتكون عادة من قطبين كهربائيين على شكل لوحة (يسمى بطانات)، منفصل عازلوالتي يكون سمكها صغير مقارنة بحجم الألواح.

15. توصيل المكثفات (المتوازية والمتسلسلة)

بالإضافة إلى ما هو مبين في الشكل. 60 و 61، كما في الشكل. 62، وبالنسبة للتوصيل المتوازي للمكثفات، حيث يتم توصيل جميع اللوحات الموجبة والسالبة ببعضها البعض، في بعض الأحيان يتم توصيل المكثفات على التوالي، أي بحيث تكون اللوحة السالبة أرز. 62. توصيل المكثفات: أ) بالتوازي. ب) متتابعةتم توصيل المكثف الأول باللوحة الموجبة للثانية، واللوحة السلبية للثانية باللوحة الموجبة للثالثة، وما إلى ذلك (الشكل 62، ب). في حالة التوصيل على التوازي، يتم شحن جميع المكثفات بنفس فرق الجهد U، لكن الشحنات عليها قد تكون مختلفة. إذا كانت سعاتها تساوي C1، C2،...، Cn، فإن الشحنات المقابلة ستكون الشحنة الإجمالية لجميع المكثفات، وبالتالي سعة نظام المكثفات بأكمله (35.1) إذن، سعة المجموعة المكثفات الموصولة على التوازي تساوي مجموع سعات المكثفات الفردية. في حالة المكثفات المتصلة على التوالي (الشكل 62، ب)، تكون الشحنات على جميع المكثفات متساوية. في الواقع، إذا وضعنا، على سبيل المثال، شحنة +q على اللوحة اليسرى للمكثف الأول، فسوف تظهر شحنة -q على اللوحة اليمنى بسبب الحث، وستظهر شحنة +q على اللوحة اليسرى للمكثف. مكثف الثاني. وجود هذه الشحنة على اللوحة اليسرى للمكثف الثاني، مرة أخرى بسبب الحث، يخلق شحنة -q على اللوحة اليمنى، وشحنة +q على اللوحة اليسرى للمكثف الثالث، وما إلى ذلك. وبالتالي، فإن شحنة كل من المكثفات المتصلة على التوالي يساوي q. يتم تحديد الجهد على كل من هذه المكثفات من خلال سعة المكثف المقابل: حيث Ci هي سعة مكثف واحد. الجهد الإجمالي بين الألواح الخارجية (الحرّة) لمجموعة المكثفات بأكملها، لذلك يتم تحديد سعة نظام المكثف بأكمله بالتعبير (35.2) من هذه الصيغة يتضح أن سعة مجموعة من المكثفات المتصلة على التوالي تكون دائمًا أقل من سعة كل من هذه المكثفات على حدة.

16. طاقة المجال الكهربائي وكثافتها الحجمية.

طاقة المجال الكهربائي.يمكن التعبير عن طاقة المكثف المشحون من حيث الكميات التي تميز المجال الكهربائي في الفجوة بين اللوحات. دعونا نفعل ذلك باستخدام مثال مكثف مسطح. استبدال التعبير عن السعة في صيغة طاقة المكثف يعطي

خاص ش / ديساوي شدة المجال في الفجوة؛ عمل س· ديمثل الحجم الخامسيحتلها الميدان. لذلك،

إذا كان المجال موحدًا (وهذا هو الحال في مكثف مسطح على مسافة دأصغر بكثير من الأبعاد الخطية للصفائح)، ثم تتوزع الطاقة الموجودة فيه في الفضاء بكثافة ثابتة ث. ثم كثافة الطاقة الحجميةالمجال الكهربائي متساوي

مع الأخذ بعين الاعتبار العلاقة، يمكننا أن نكتب

في العزل الكهربائي الخواص، اتجاهات النواقل دو هتتزامن واستبدال التعبير نحصل عليه

يتطابق المصطلح الأول في هذا التعبير مع كثافة طاقة المجال في الفراغ. المصطلح الثاني يمثل الطاقة المستهلكة في استقطاب العازل الكهربائي. دعونا نوضح ذلك باستخدام مثال العازل غير القطبي. استقطاب العازل غير القطبي هو أن الشحنات التي تتكون منها الجزيئات تنزاح من مواقعها تحت تأثير المجال الكهربائي ه. لكل وحدة حجم من العازل، الشغل المبذول على إزاحة الشحنات سأنا بالقيمة د صأنا، هو

التعبير الموجود بين قوسين هو عزم ثنائي القطب لكل وحدة حجم أو استقطاب العازل الكهربائي ر. لذلك، . المتجه صالمرتبطة بالمتجه هنسبة استبدال هذا التعبير في صيغة العمل، نحصل على

بعد إجراء التكامل، نحدد الشغل المبذول على استقطاب وحدة حجم العازل الكهربائي

بمعرفة كثافة طاقة المجال عند كل نقطة، يمكنك العثور على طاقة المجال الموجودة في أي حجم الخامس. للقيام بذلك تحتاج إلى حساب التكامل:

17. التيار الكهربائي المباشر خصائصه وشروط وجوده. قانون أوم لقسم متجانس من الدائرة (الأشكال التكاملية والتفاضلية)

لوجود تيار كهربائي ثابت، من الضروري وجود جسيمات مشحونة حرة ووجود مصدر تيار. حيث يتم تحويل أي نوع من الطاقة إلى طاقة مجال كهربائي.

المصدر الحالي - جهاز يتم فيه تحويل أي نوع من الطاقة إلى طاقة مجال كهربائي. في المصدر الحالي، تعمل القوى الخارجية على الجسيمات المشحونة في دائرة مغلقة. تختلف أسباب حدوث القوى الخارجية في المصادر الحالية المختلفة. على سبيل المثال، في البطاريات والخلايا الكلفانية، تنشأ قوى خارجية نتيجة لحدوث تفاعلات كيميائية، في مولدات محطات الطاقة، تنشأ عندما يتحرك موصل في مجال مغناطيسي، في الخلايا الضوئية - عندما يعمل الضوء على الإلكترونات في المعادن وأشباه الموصلات.

القوة الدافعة الكهربائية للمصدر الحالي هي نسبة عمل القوى الخارجية إلى كمية الشحنة الموجبة المنقولة من القطب السالب للمصدر الحالي إلى القطب الموجب.

للحصول على تمثيل رسومي مرئي للمجال، من الملائم استخدام خطوط القوة - الخطوط الموجهة، والتي تتزامن الظلال عند كل نقطة مع اتجاه متجه شدة المجال الكهربائي (الشكل 233).

أرز. 233
وفقًا للتعريف، تمتلك خطوط المجال الكهربائي عددًا من الخصائص المشتركة (مقارنة بخصائص خطوط التيار السائل):
1. لا تتقاطع خطوط المجال (وإلا، عند نقطة التقاطع، يمكن إنشاء مماسين، أي أن شدة المجال عند نقطة واحدة لها قيمتان، وهو أمر سخيف).
2. لا تحتوي خطوط القوة على فواصل (عند نقطة الانفصال، يمكن إنشاء مماسين مرة أخرى).
3. خطوط المجال الكهروستاتيكي تبدأ وتنتهي عند الشحنات.
وبما أن شدة المجال يتم تحديدها عند كل نقطة مكانية، فيمكن رسم خط المجال عبر أي نقطة مكانية. ولذلك، فإن عدد خطوط القوة كبير بلا حدود. غالبًا ما يتم تحديد عدد الخطوط المستخدمة لتصوير المجال من خلال الذوق الفني للفنان الفيزيائي. توصي بعض الكتب المدرسية ببناء صورة لخطوط المجال بحيث تكون كثافتها أكبر عندما تكون شدة المجال أكبر. هذا الشرط ليس صارما، وليس ممكنا دائما، لذلك يتم رسم خطوط القوة، مما يرضي الخصائص المصاغة 1 − 3 .
من السهل جدًا إنشاء خطوط المجال التي تم إنشاؤها بواسطة شحنة نقطية. في هذه الحالة، خطوط القوة هي مجموعة من الخطوط المستقيمة التي تغادر (للإجابية) أو تدخل (للسلبية) النقطة التي تقع فيها الشحنة (الشكل 234).

أرز. 234
توضح هذه العائلات من خطوط المجال لحقول الشحنة النقطية أن الشحنات هي مصادر للمجال، مماثلة لمصادر ومغاسل مجال سرعة الموائع. وسنثبت لاحقاً أن خطوط القوة لا يمكن أن تبدأ أو تنتهي عند تلك النقاط التي لا توجد فيها أي شحنات.
يمكن إعادة إنتاج صورة خطوط المجال للحقول الحقيقية بشكل تجريبي.
تُسكب طبقة صغيرة من زيت الخروع في وعاء منخفض ويُضاف إليها جزء صغير من السميد. إذا تم وضع الزيت والحبوب في مجال إلكتروستاتيكي، فإن حبات السميد (التي لها شكل ممدود قليلاً) تدور في اتجاه شدة المجال الكهربائي وتصطف تقريبًا على طول خطوط القوة؛ بعد عدة عشرات من الثواني، تظهر صورة لخطوط المجال الكهربائي في الكأس. يتم عرض بعض هذه "الصور" في الصور الفوتوغرافية.
ومن الممكن أيضًا إجراء الحسابات النظرية وبناء خطوط المجال. صحيح أن هذه الحسابات تتطلب عددًا هائلاً من الحسابات، لذلك يتم إجراؤها فعليًا (وبدون صعوبة كبيرة) باستخدام الكمبيوتر، وغالبًا ما يتم تنفيذ هذه الإنشاءات في مستوى معين.
عند تطوير خوارزميات لحساب نمط خطوط المجال، تمت مواجهة عدد من المشكلات التي تتطلب حلاً. المشكلة الأولى هي حساب متجه المجال. في حالة المجالات الكهروستاتيكية الناتجة عن توزيع شحنة معين، يتم حل هذه المشكلة باستخدام قانون كولوم ومبدأ التراكب. المشكلة الثانية هي طريقة بناء خط منفصل. إن فكرة أبسط خوارزمية تحل هذه المشكلة واضحة تمامًا. في مساحة صغيرة، يتطابق كل خط عمليا مع مماسه، لذلك يجب عليك إنشاء العديد من قطع مماسات خطوط القوة، أي قطع قصيرة الطول لالذي يتطابق اتجاهه مع اتجاه المجال عند نقطة معينة. للقيام بذلك، من الضروري، أولا وقبل كل شيء، حساب مكونات ناقل التوتر عند نقطة معينة السابق, إي ذومعامل هذا المتجه ه = √(ه س ٢ + ه ص ٢ ). بعد ذلك يمكنك إنشاء مقطع قصير يتزامن اتجاهه مع اتجاه متجه شدة المجال. يتم حساب توقعاتها على محاور الإحداثيات باستخدام الصيغ التالية من الشكل. 235:

أرز. 235

ثم يجب عليك تكرار الإجراء، بدءا من نهاية الجزء الذي تم إنشاؤه. بالطبع، عند تنفيذ مثل هذه الخوارزمية، هناك مشاكل أخرى ذات طبيعة تقنية أكثر.
توضح الأشكال 236 خطوط المجال التي تم إنشاؤها بواسطة شحنتين نقطيتين.


أرز. 236
علامات الشحنات موضحة في الشكلين أ) و ب) الشحنات هي نفسها من حيث القيمة المطلقة، في الشكل. ج)، د) مختلفة - نقترح تحديد أيهما أفضل بنفسك. حدد أيضًا اتجاهات خطوط المجال في كل حالة بنفسك.
ومن المثير للاهتمام أن م.
توافق على أن السيد فاراداي العظيم كان على حق - إذا استبدلت الخطوط عقليًا بأشرطة مطاطية مرنة، فإن طبيعة التفاعل تكون واضحة جدًا.

المجال الكهروستاتيكي

المجال الكهروستاتيكي تهمة الاختبارس 0

توتر

, (4)

, . (5)

خطوط الكهرباء

عمل القوات الميدانية الكهروستاتيكية. محتمل

المجال الكهربائي، مثل مجال الجاذبية، محتمل. أولئك. لا يعتمد العمل الذي تقوم به القوى الكهروستاتيكية على المسار الذي تتحرك به الشحنة q في المجال الكهربائي من النقطة 1 إلى النقطة 2. هذا العمل يساوي الفرق في الطاقات المحتملة التي تمتلكها الشحنة المتحركة عند البداية و النقاط النهائية للميدان:

أ 1,2 = ث 1 – ث 2. (7)

يمكن إثبات أن الطاقة الكامنة لشحنة q تتناسب طرديًا مع حجم هذه الشحنة. لذلك، كخاصية طاقة للمجال الكهروستاتيكي، يتم استخدام نسبة الطاقة الكامنة لشحنة الاختبار q 0 الموضوعة في أي نقطة في المجال إلى قيمة هذه الشحنة:

تمثل هذه الكمية مقدار الطاقة الكامنة لكل وحدة من الشحنة الموجبة وتسمى الإمكانات الميدانية عند نقطة معينة. [φ] = J / Cl = V (فولت).

إذا قبلنا أنه عندما تتحرك الشحنة q 0 بعيدًا إلى ما لا نهاية (r→ ∞)، فإن طاقتها المحتملة في مجال الشحن q تصبح صفرًا، ثم إمكانات مجال الشحنة النقطية q على مسافة r منها:

. (9)

إذا تم إنشاء حقل بواسطة نظام من الشحنات النقطية، فإن إمكانات الحقل الناتج تساوي المجموع الجبري (بما في ذلك العلامات) لإمكانيات كل منها:

. (10)

من تعريف الجهد (8) والتعبير (7)، فإن الشغل الذي تبذله قوى المجال الكهروستاتيكي لتحريك الشحنة من

يمكن تمثيل النقطة 1 إلى النقطة 2 على النحو التالي:

التيار الكهربائي في الغازات

تفريغ الغاز ذاتي الاكتفاء الذاتي

تعتبر الغازات عوازل جيدة عند درجات حرارة ليست عالية جدًا وعند ضغوط قريبة من الغلاف الجوي. إذا قمت بوضع مقياس كهربائي مشحون في الهواء الجاف، فإن شحنته تظل دون تغيير لفترة طويلة. ويفسر ذلك حقيقة أن الغازات في الظروف العادية تتكون من ذرات وجزيئات متعادلة ولا تحتوي على شحنات حرة (إلكترونات وأيونات). يصبح الغاز موصلاً للكهرباء فقط عندما تتأين بعض جزيئاته. للتأين، يجب تعريض الغاز إلى نوع من المؤين: على سبيل المثال، تفريغ كهربائي، أو الأشعة السينية، أو الإشعاع أو الأشعة فوق البنفسجية، أو لهب الشمعة، وما إلى ذلك. (في الحالة الأخيرة، الموصلية الكهربائية للغاز ناتجة عن التسخين).

أثناء تأين الغازات، يتم إزالة إلكترون أو أكثر من الغلاف الإلكتروني الخارجي للذرة أو الجزيء، مما يؤدي إلى تكوين إلكترونات حرة وأيونات موجبة. يمكن أن ترتبط الإلكترونات بالجزيئات والذرات المحايدة، وتحولها إلى أيونات سالبة. لذلك، يحتوي الغاز المتأين على أيونات موجبة وسالبة الشحنة وإلكترونات حرة. ه يسمى التيار الكهربائي في الغازات تفريغ الغاز. وبالتالي، يتم إنشاء التيار في الغازات بواسطة أيونات كل من الإشارات والإلكترونات. سوف يكون تفريغ الغاز بهذه الآلية مصحوبًا بنقل المادة، أي. تصنف الغازات المؤينة كموصلات من النوع الثاني.

من أجل إزالة إلكترون واحد من جزيء أو ذرة، فمن الضروري أداء قدر معين من العمل أ، أي. تنفق بعض الطاقة. تسمى هذه الطاقة طاقة التأين ، والتي تتراوح قيمها لذرات المواد المختلفة بين 4÷25 فولت. وعادة ما تتميز عملية التأين من الناحية الكمية بكمية تسمى إمكانات التأين :

بالتزامن مع عملية التأين في الغاز، تحدث دائمًا العملية العكسية - عملية إعادة التركيب: تلتقي الأيونات الموجبة والسالبة أو الأيونات والإلكترونات الموجبة، وتتحد مع بعضها البعض لتشكل ذرات وجزيئات محايدة. كلما زاد عدد الأيونات التي تظهر تحت تأثير المؤين، زادت كثافة عملية إعادة التركيب.

بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن الموصلية الكهربائية للغاز لا تكون صفرًا أبدًا، لأنها تحتوي دائمًا على شحنات مجانية تتشكل نتيجة لعمل الإشعاع من المواد المشعة الموجودة على سطح الأرض، وكذلك الإشعاع الكوني. شدة التأين تحت تأثير هذه العوامل منخفضة. تؤدي هذه التوصيلية الكهربائية الضئيلة للهواء إلى تسرب الشحنات من الأجسام المكهربة، حتى لو كانت معزولة جيدًا.

يتم تحديد طبيعة تفريغ الغاز من خلال تكوين الغاز ودرجة حرارته وضغطه وحجم الأقطاب الكهربائية وتكوينها ومادتها، بالإضافة إلى الجهد المطبق وكثافة التيار.

دعونا نفكر في دائرة تحتوي على فجوة غازية (الشكل)، تتعرض لتعرض مستمر وثابت الشدة لمؤين. نتيجة لعمل المؤين، يكتسب الغاز بعض الموصلية الكهربائية وتدفقات التيار في الدائرة. يوضح الشكل خصائص الجهد الحالي (التيار مقابل الجهد المطبق) لاثنين من المؤينات. أداء
(عدد أزواج الأيونات التي ينتجها المؤين في فجوة الغاز خلال ثانية واحدة) للمؤين الثاني أكبر من الأول. سنفترض أن إنتاجية المؤين ثابتة وتساوي n 0. عند ضغط غير منخفض جدًا، يتم التقاط جميع الإلكترونات المنفصلة تقريبًا بواسطة جزيئات محايدة، مما يشكل أيونات سالبة الشحنة. مع الأخذ بعين الاعتبار إعادة التركيب، نفترض أن تركيزات الأيونات في كلا العلامتين هي نفسها وتساوي n. تختلف متوسطات سرعات الانجراف للأيونات ذات العلامات المختلفة في المجال الكهربائي: , . ب - و ب + - حركة أيونات الغاز. الآن بالنسبة للمنطقة I، مع الأخذ في الاعتبار (5)، يمكننا أن نكتب:

كما هو واضح، في المنطقة I، مع زيادة الجهد، يزداد التيار، مع زيادة سرعة الانجراف. سوف يتناقص عدد أزواج الأيونات المعاد تجميعها مع زيادة السرعة.

المنطقة الثانية - منطقة تيار التشبع - تصل جميع الأيونات الناتجة عن المؤين إلى الأقطاب الكهربائية دون الحاجة إلى إعادة التركيب. كثافة تيار التشبع

ي ن = ف ن 0 د، (28)

حيث d هو عرض فجوة الغاز (المسافة بين الأقطاب الكهربائية). وكما يتبين من (28)، فإن تيار التشبع هو مقياس للتأثير المؤين للمؤين.

عند جهد أكبر من U p p (المنطقة III)، تصل سرعة الإلكترونات إلى قيمة بحيث عندما تصطدم بجزيئات محايدة تكون قادرة على التسبب في تأين التأثير. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل أزواج إضافية من الأيونات 0. تسمى الكمية A معامل كسب الغاز . وفي المنطقة III، لا يعتمد هذا المعامل على n 0، بل يعتمد على U. وهكذا. تتناسب الشحنة التي تصل إلى الأقطاب الكهربائية عند ثابت U بشكل مباشر مع أداء المؤين - n 0 والجهد U. ولهذا السبب، تسمى المنطقة III بمنطقة التناسب. U pr – عتبة التناسب. عامل تضخيم الغاز A له قيم من 1 إلى 10 4.

في المنطقة الرابعة، منطقة التناسب الجزئي، يبدأ معامل كسب الغاز بالاعتماد على n 0. ويزداد هذا الاعتماد مع زيادة U. ويزداد التيار بشكل حاد.

في نطاق الجهد 0 ÷ U g، يوجد التيار في الغاز فقط عندما يكون المؤين نشطًا. إذا تم إيقاف عمل المؤين، يتوقف التفريغ أيضًا. تسمى التصريفات التي توجد فقط تحت تأثير المؤينات الخارجية غير مكتفية ذاتيا.

الجهد Ug هو عتبة المنطقة، منطقة جيجر، التي تتوافق مع الحالة التي لا تختفي فيها العملية في فجوة الغاز حتى بعد إيقاف تشغيل المؤين، أي. يكتسب التفريغ طابع التفريغ المستقل. الأيونات الأولية تعطي فقط قوة دافعة لحدوث تفريغ الغاز. في هذه المنطقة، تكتسب الأيونات الضخمة من كلتا العلامتين أيضًا القدرة على التأين. حجم التيار لا يعتمد على n 0 .

في المنطقة السادسة، يكون الجهد مرتفعًا جدًا بحيث لا يتوقف التفريغ بمجرد حدوثه - منطقة التفريغ المستمر.

تفريغ الغاز المستقل ذاتياً وأنواعه

يسمى تفريغ الغاز الذي يستمر بعد توقف المؤين الخارجي عن العمل بالتفريغ الذاتي.

دعونا ننظر في شروط حدوث التفريغ المستدام ذاتيا. عند الفولتية العالية (المناطق من الخامس إلى السادس)، تتصادم الإلكترونات المتولدة تحت تأثير المؤين الخارجي، والتي يتم تسريعها بشدة بواسطة المجال الكهربائي، مع جزيئات الغاز المحايدة وتأيينها. ونتيجة لذلك، يتم تشكيل الإلكترونات الثانوية والأيونات الموجبة (العملية 1 في الشكل 158).تتحرك الأيونات الموجبة نحو الكاثود وتتحرك الإلكترونات نحو القطب الموجب. تقوم الإلكترونات الثانوية بإعادة تأين جزيئات الغاز، وبالتالي فإن العدد الإجمالي للإلكترونات والأيونات سيزداد مع تحرك الإلكترونات نحو القطب الموجب بطريقة انهيار جليدي. يؤدي هذا إلى زيادة التيار الكهربائي (انظر الشكل. المنطقة V). العملية الموصوفة تسمى تأثير التأين.

ومع ذلك، فإن تأثير التأين تحت تأثير الإلكترونات لا يكفي للحفاظ على التفريغ عند إزالة المؤين الخارجي. للقيام بذلك، من الضروري "إعادة إنتاج" الانهيارات الإلكترونية، أي أن الإلكترونات الجديدة تنشأ في الغاز تحت تأثير بعض العمليات. تظهر هذه العمليات بشكل تخطيطي في الشكل. 158: الأيونات الموجبة التي يتسارعها المجال، تضرب الكاثود، وتطرد الإلكترونات منه (العملية 2)؛ الأيونات الموجبة، التي تصطدم بجزيئات الغاز، تنقلها إلى حالة مثارة، ويكون انتقال هذه الجزيئات إلى الحالة الطبيعية مصحوبًا بانبعاث الفوتون (العملية 3)؛ يقوم الفوتون الذي يمتصه جزيء محايد بتأينه، وتحدث ما يسمى بعملية تأين الفوتون للجزيئات (العملية 4)؛ خروج الإلكترونات من الكاثود تحت تأثير الفوتونات (العملية 5).

أخيرًا، عند الفولتية الكبيرة بين أقطاب فجوة الغاز، تأتي لحظة تكتسب فيها الأيونات الموجبة، التي لها مسار حر أقصر من الإلكترونات، طاقة كافية لتأيين جزيئات الغاز (العملية 6)، وتندفع الانهيارات الأيونية إلى اللوحة السلبية. عندما تحدث أيضًا انهيارات ثلجية أيونية بالإضافة إلى الانهيارات الإلكترونية ، تزداد قوة التيار عمليًا دون زيادة في الجهد (المنطقة السادسة في الشكل).

نتيجة للعمليات الموصوفة، يزداد عدد الأيونات والإلكترونات في حجم الغاز مثل الانهيار الجليدي، ويصبح التفريغ مستقلاً، أي أنه يستمر حتى بعد انتهاء المؤين الخارجي. يسمى الجهد الذي يحدث عنده التفريغ الذاتي بجهد الانهيار. بالنسبة للهواء، يبلغ هذا حوالي 30.000 فولت لكل سنتيمتر من المسافة.

اعتمادًا على ضغط الغاز، وتكوين الأقطاب الكهربائية، ومعلمات الدائرة الخارجية، يمكننا التحدث عن أربعة أنواع من التفريغ المستقل: التوهج، والشرارة، والقوس، والإكليل.

1. تفريغ الحماس. يحدث عند ضغوط منخفضة. إذا تم تطبيق جهد ثابت يبلغ عدة مئات من الفولتات على الأقطاب الكهربائية الملحومة في أنبوب زجاجي بطول 30÷50 سم، وضخ الهواء تدريجيًا خارج الأنبوب، فعند ضغط ≈ 5.3÷6.7 كيلو باسكال، يظهر التفريغ على شكل سلك مضيء متعرج أحمر اللون، ينتقل من الكاثود إلى الأنود. مع انخفاض إضافي في الضغط، يتكاثف الحبل، وعند ضغط ≈ 13 باسكال، يكون التفريغ بالشكل الموضح تخطيطيًا في الشكل.

توجد بجوار الكاثود مباشرة طبقة رقيقة مضيئة 1 - توهج الكاثود الأول، أو فيلم الكاثود، تليها طبقة داكنة 2 - مساحة الكاثود المظلمة، والتي تمر بعد ذلك إلى الطبقة المضيئة 3 - توهج مشتعل، ذو توهج حاد الحدود على جانب الكاثود، وتختفي تدريجياً على جانب الأنود. يحدث ذلك بسبب إعادة تركيب الإلكترونات مع الأيونات الموجبة. ويحد التوهج المشتعل فجوة مظلمة 4 - فضاء فاراداي المظلم، يليها عمود من الغاز المضيء المتأين 5 - العمود الموجب. العمود الموجب ليس له دور كبير في الحفاظ على التفريغ. على سبيل المثال، عندما تقل المسافة بين أقطاب الأنبوب، يتناقص طوله، بينما تبقى أجزاء الكاثود من التفريغ دون تغيير في الشكل والحجم. في تفريغ التوهج، هناك جزأين فقط لهما أهمية خاصة لصيانته: الفضاء المظلم الكاثود والتوهج. في الفضاء المظلم الكاثود، هناك تسارع قوي للإلكترونات والأيونات الموجبة، مما يخرج الإلكترونات من الكاثود (الانبعاث الثانوي). في منطقة التوهج المشتعل، يحدث تأين جزيئات الغاز بواسطة الإلكترونات. تندفع الأيونات الموجبة المتكونة في هذه الحالة إلى الكاثود وتطرد منه إلكترونات جديدة، والتي بدورها تؤين الغاز مرة أخرى، وما إلى ذلك. وبهذه الطريقة، يتم الحفاظ على تفريغ التوهج بشكل مستمر.

مع المزيد من ضخ الأنبوب عند ضغط ≈ 1.3 Pa، يضعف توهج الغاز وتبدأ جدران الأنبوب في التوهج. نادرًا ما تصطدم الإلكترونات التي يتم طردها من الكاثود بواسطة الأيونات الموجبة عند مثل هذا الخلخلة بجزيئات الغاز، وبالتالي، يتم تسريعها بواسطة المجال، وتضرب الزجاج، مما يؤدي إلى توهجه، وهو ما يسمى بالتألق الكاثودي. كان تدفق هذه الإلكترونات يُسمى تاريخيًا بأشعة الكاثود.

يستخدم تفريغ الوهج على نطاق واسع في التكنولوجيا. وبما أن توهج العمود الموجب له خاصية لونية لكل غاز، فإنه يستخدم في أنابيب ضوء الغاز للنقوش والإعلانات المضيئة (على سبيل المثال، أنابيب تفريغ غاز النيون تعطي توهجًا أحمر، الأرجون - أخضر مزرق). في مصابيح الفلورسنت، وهي أكثر اقتصادا من المصابيح المتوهجة، يتم امتصاص إشعاع التفريغ المتوهج الذي يحدث في بخار الزئبق بواسطة مادة الفلورسنت (الفوسفور) المترسبة على السطح الداخلي للأنبوب، والتي تبدأ في التوهج تحت تأثير الإشعاع الممتص. إن طيف التلألؤ، مع الاختيار المناسب للفوسفور، قريب من طيف الإشعاع الشمسي. يستخدم تفريغ الوهج لترسيب الكاثود للمعادن. تصبح مادة الكاثود في تفريغ التوهج، بسبب قصفها بالأيونات الموجبة، ساخنة جدًا وتتحول إلى حالة بخار. ومن خلال وضع أشياء مختلفة بالقرب من الكاثود، يمكن تغطيتها بطبقة موحدة من المعدن.

2. تفريغ شرارة. يحدث عند شدة مجال كهربائي عالية (≈ 3·10 6 فولت/م) في الغاز تحت الضغط الجوي. تتميز الشرارة بمظهر قناة رفيعة متوهجة ومنحنية بشكل معقد ومتفرعة.

يتم تقديم تفسير تفريغ الشرارة على أساس نظرية غاسل، والتي بموجبها يسبق ظهور قناة شرارة متوهجة ظهور تراكمات متوهجة بشكل خافت من الغاز المتأين. وتسمى هذه المجموعات اللافتات. تنشأ اللافتات ليس فقط نتيجة لتكوين الانهيارات الإلكترونية من خلال التأين التأثيري، ولكن أيضًا نتيجة لتأين الفوتون للغاز. تشكل الانهيارات الجليدية، التي تلحق ببعضها البعض، جسورًا موصلة من اللافتات، والتي في اللحظات التالية من الزمن تندفع تدفقات قوية من الإلكترونات، وتشكل قنوات تفريغ شرارة. وبسبب إطلاق كمية كبيرة من الطاقة أثناء العمليات المدروسة، يتم تسخين الغاز الموجود في فجوة الشرارة إلى درجة حرارة عالية جدًا (حوالي 10 4 كلفن)، مما يؤدي إلى توهجه. يؤدي التسخين السريع للغاز إلى زيادة الضغط وتكوين موجات صدمية، وهو ما يفسر المؤثرات الصوتية لتفريغ الشرارة - صوت الطقطقة المميز في التفريغات الضعيفة والصواعق القوية في حالة البرق، وهو مثال على تفريغ شرارة قوية بين السحابة الرعدية والأرض أو بين السحابتين الرعديتين.

يستخدم تفريغ الشرارة لإشعال خليط قابل للاحتراق في محركات الاحتراق الداخلي وحماية خطوط النقل الكهربائية من الجهد الزائد (فجوات الشرارة). عندما يكون طول فجوة التفريغ قصيرًا، يتسبب تفريغ الشرارة في تدمير (تآكل) سطح المعدن، لذلك يتم استخدامه للمعالجة الدقيقة للمعادن بالشرارة الكهربائية (القطع والحفر). يتم استخدامه في التحليل الطيفي لتسجيل الجسيمات المشحونة (عدادات الشرارة).

3. تفريغ القوس. إذا، بعد إشعال تفريغ شرارة من مصدر قوي، يتم تقليل المسافة بين الأقطاب الكهربائية تدريجيا، ثم يصبح التفريغ مستمرا - يحدث تفريغ القوس. في هذه الحالة، يزداد التيار بشكل حاد، حيث يصل إلى مئات الأمبيرات، وينخفض ​​​​الجهد عبر فجوة التفريغ إلى عدة عشرات من الفولتات. يمكن الحصول على تفريغ القوس من مصدر جهد منخفض، متجاوزًا مرحلة الشرارة. وللقيام بذلك يتم جمع الأقطاب الكهربائية (الكربون مثلاً) معاً حتى تتلامس، فتصبح ساخنة جداً بالتيار الكهربائي، ثم يتم فصلها والحصول على قوس كهربائي (هكذا اكتشفها العالم الروسي V.V. Petrov). . عند الضغط الجوي، تبلغ درجة حرارة الكاثود حوالي 3900 كلفن. ومع احتراق القوس، يصبح كاثود الكربون أكثر حدة، ويتشكل انخفاض على الأنود - حفرة، وهي النقطة الأكثر سخونة في القوس.

وفقًا للمفاهيم الحديثة، يتم الحفاظ على تفريغ القوس بسبب ارتفاع درجة حرارة الكاثود بسبب الانبعاث الحراري المكثف، وكذلك التأين الحراري للجزيئات بسبب ارتفاع درجة حرارة الغاز.

يستخدم تفريغ القوس على نطاق واسع في الاقتصاد الوطني للحام وقطع المعادن وإنتاج الفولاذ عالي الجودة (فرن القوس) والإضاءة (الأضواء الكاشفة ومعدات العرض). كما تستخدم على نطاق واسع مصابيح القوس التي تحتوي على أقطاب الزئبق في أسطوانات الكوارتز، حيث يحدث تفريغ القوس في بخار الزئبق عند إخلاء الهواء. يعد القوس الذي يحدث في بخار الزئبق مصدرًا قويًا للأشعة فوق البنفسجية ويستخدم في الطب (على سبيل المثال، مصابيح الكوارتز). يتم استخدام تفريغ القوس عند ضغوط منخفضة في بخار الزئبق في مقومات الزئبق لتصحيح التيار المتردد.

4. كورونا التفريغ - تفريغ كهربائي عالي الجهد يحدث عند ضغط مرتفع (على سبيل المثال، الغلاف الجوي) في مجال غير منتظم (على سبيل المثال، بالقرب من الأقطاب الكهربائية ذات الانحناء الكبير للسطح، طرف قطب الإبرة). وعندما تصل شدة المجال قرب الطرف إلى 30 كيلو فولت/سم، يظهر حوله توهج على شكل تاج، وهو ما أطلق عليه اسم هذا النوع من التفريغ.

اعتمادا على علامة القطب الكهربائي، يتم تمييز الهالة السلبية أو الإيجابية. في حالة الإكليل السالب، يحدث ولادة الإلكترونات المسببة لتأثير تأين جزيئات الغاز، بسبب انبعاثها من الكاثود تحت تأثير الأيونات الموجبة، في حالة الإكليل الموجب، بسبب تأين الغاز القريب الأنود. في الظروف الطبيعية، تظهر الهالة تحت تأثير كهرباء الغلاف الجوي عند قمم صواري السفن أو الأشجار (يعتمد عمل مانعات الصواعق على هذا). وكانت هذه الظاهرة تسمى في العصور القديمة بنيران القديس إلمو. التأثير الضار للكورونا حول أسلاك خطوط الكهرباء ذات الجهد العالي هو حدوث تيارات التسرب. لتقليلها، يتم تصنيع أسلاك خطوط الجهد العالي سميكة. إن تفريغ كورونا، المتقطع، يصبح أيضًا مصدرًا للتداخل اللاسلكي.

يستخدم تفريغ كورونا في المرسبات الكهربائية المستخدمة في تنقية الغازات الصناعية من الشوائب. يتحرك الغاز المراد تنقيته من الأسفل إلى الأعلى في أسطوانة عمودية، على طول المحور الذي يوجد به سلك الإكليل. تستقر الأيونات الموجودة بكميات كبيرة في الجزء الخارجي من الإكليل على جزيئات الشوائب ويحملها المجال بعيدًا إلى القطب الخارجي غير الإكليلي وتستقر عليه. يستخدم تفريغ كورونا أيضًا عند تطبيق مسحوق الطلاء والطلاء.

المجال الكهروستاتيكي

خطوط الحقول الكهربائية

وفقا لمفاهيم الفيزياء الحديثة، ينتقل تأثير شحنة واحدة على أخرى من خلال المجال الكهروستاتيكي - بيئة مادية خاصة ممتدة إلى ما لا نهاية يخلقها كل جسم مشحون حول نفسه. لا يمكن اكتشاف المجالات الكهروستاتيكية بواسطة الحواس البشرية. ومع ذلك، فإن الشحنة الموضوعة في مجال ما تؤثر عليها قوة تتناسب طرديًا مع حجم هذه الشحنة. لأن اتجاه القوة يعتمد على إشارة الشحنة، اتفقنا على استخدام ما يسمى تهمة الاختبارس 0. هذه شحنة نقطية موجبة موضوعة عند نقطة المجال الكهربي التي تهمنا. وفقًا لذلك، كخاصية قوة للمجال، يُنصح باستخدام نسبة القوة إلى قيمة شحنة الاختبار q 0:

تسمى هذه الكمية المتجهة الثابتة لكل نقطة من المجال تساوي القوة المؤثرة على وحدة الشحنة الموجبة توتر . بالنسبة لمجال شحنة النقطة q على مسافة r منها:

, (4)

يتزامن اتجاه المتجه مع اتجاه القوة المؤثرة على شحنة الاختبار. [E] = N / C أو V / م.

في الوسط العازل، تنخفض قوة التفاعل بين الشحنات، وبالتالي شدة المجال، بمقدار ε مرات:

, . (5)

عند تراكب عدة مجالات كهروستاتيكية على بعضها البعض، يتم تحديد القوة الناتجة على أنها مجموع متجه لقوى كل حقل (مبدأ التراكب):

بيانياً، يتم تصوير توزيع المجال الكهربائي في الفضاء باستخدام خطوط الكهرباء . يتم رسم هذه الخطوط بحيث تتطابق الظلال معها في أي نقطة. وهذا يعني أن متجه القوة المؤثرة على الشحنة، وبالتالي متجه تسارعها، يقع أيضًا على مماسات خطوط القوة، التي لا تتقاطع أبدًا في أي مكان. لا يمكن إغلاق خطوط المجال الكهروستاتيكي. تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة أو تصل إلى ما لا نهاية.

هناك مجالات عددية ومتجهة (في حالتنا، سيكون المجال المتجه كهربائيًا). وفقًا لذلك، تم تصميمها باستخدام الوظائف العددية أو المتجهة للإحداثيات، بالإضافة إلى الوقت.

يتم وصف الحقل العددي بواسطة دالة بالشكل φ. يمكن عرض هذه الحقول بشكل مرئي باستخدام أسطح من نفس المستوى: φ (x, y, z) = c, c = const.

دعونا نحدد المتجه الموجه نحو الحد الأقصى لنمو الوظيفة φ.

تحدد القيمة المطلقة لهذا المتجه معدل تغير الدالة φ.

من الواضح أن الحقل العددي يولد حقلًا متجهًا.

ويسمى هذا المجال الكهربائي الإمكانات، وتسمى الدالة φ الإمكانات. تسمى الأسطح ذات المستوى نفسه الأسطح متساوية الجهد. على سبيل المثال، النظر في المجال الكهربائي.

ولعرض الحقول بشكل مرئي، يتم إنشاء ما يسمى بخطوط المجال الكهربائي. وتسمى أيضًا الخطوط المتجهة. وهي الخطوط التي يشير ظلها عند نقطة ما إلى اتجاه المجال الكهربائي. يتناسب عدد الخطوط التي تمر عبر سطح الوحدة مع القيمة المطلقة للمتجه.

دعونا نقدم مفهوم التفاضل المتجه على طول خط ما l. يتم توجيه هذا المتجه بشكل عرضي إلى الخط l ويساوي في القيمة المطلقة التفاضلية dl.

دعونا نعطي مجالًا كهربائيًا معينًا، والذي يجب تمثيله كخطوط مجال. بمعنى آخر، نحدد معامل التمدد (الضغط) k للمتجه بحيث يتزامن مع التفاضل. وبمساواة مكونات التفاضل والمتجه نحصل على نظام من المعادلات. بعد التكامل، يمكن بناء معادلة خطوط المجال.

في تحليل المتجهات هناك عمليات توفر معلومات حول خطوط المجال الكهربائي التي تحدث في حالة معينة. دعونا نقدم مفهوم "التدفق المتجه" على السطح S. التعريف الرسمي للتدفق F له الشكل التالي: تعتبر الكمية حاصل ضرب التفاضلية المعتادة ds ومتجه الوحدة للخط الطبيعي على السطح s . يتم اختيار ort بحيث يحدد المستوى الطبيعي الخارجي للسطح.

يمكن إجراء تشبيه بين مفهوم تدفق المجال وتدفق المادة: تمر المادة لكل وحدة زمنية عبر السطح، والذي بدوره يكون عموديًا على اتجاه تدفق المجال. إذا كانت خطوط القوة تمتد إلى الخارج من السطح S، فإن التدفق يكون موجبًا، وإذا لم تخرج، فهو سلبي. بشكل عام، يمكن تقدير التدفق بعدد خطوط القوة التي تظهر من السطح. ومن ناحية أخرى، فإن حجم التدفق يتناسب مع عدد خطوط القوة التي تخترق عنصر السطح.

يتم حساب تباعد دالة المتجه عند نقطة يكون الحجم حولها ΔV. S هو السطح الذي يغطي الحجم ΔV. تتيح عملية التباعد تحديد نقاط في الفضاء لوجود مصادر ميدانية فيه. عندما يتم ضغط السطح S إلى النقطة P، فإن خطوط المجال الكهربائي التي تخترق السطح ستبقى بنفس الكمية. إذا كانت نقطة ما في الفضاء ليست مصدرا للمجال (تسرب أو تصريف)، فعند ضغط السطح إلى هذه النقطة، فإن مجموع خطوط المجال، بدءا من لحظة معينة، يساوي صفر (عدد الخطوط الداخلة إلى السطح S يساوي عدد الخطوط المنبثقة من هذا السطح).

يُطلق على التكامل فوق حلقة مغلقة L في تعريف عملية الدوار دوران الكهرباء على طول الحلقة L. وتميز عملية الدوار المجال عند نقطة في الفضاء. يحدد اتجاه الدوار حجم تدفق المجال المغلق حول نقطة معينة (يحدد الدوار دوامة المجال) واتجاهه. استناداً إلى تعريف الدوار، من خلال تحويلات بسيطة، من الممكن حساب إسقاطات ناقل الكهرباء في نظام الإحداثيات الديكارتية، وكذلك خطوط المجال الكهربائي.

سوف نحصل على فكرة عن توزيع المجال إذا قمنا برسم متجهات شدة المجال عند عدة نقاط في الفضاء (الشكل 102). ستكون الصورة أكثر وضوحًا إذا قمت برسم خطوط متواصلة مماسة لكل منها

النقطة التي يمرون من خلالها تتزامن مع ناقل التوتر. تسمى هذه الخطوط خطوط المجال الكهربائي أو خطوط التوتر (الشكل 103).

ولا ينبغي للمرء أن يعتقد أن خطوط التوتر هي في الواقع تشكيلات موجودة مثل الخيوط أو الحبال المرنة المشدودة، كما افترض فاراداي نفسه. إنها تساعد فقط في تصور توزيع المجال في الفضاء وليست أكثر واقعية من خطوط الطول والتوازيات على الكرة الأرضية.

ومع ذلك، يمكن جعل خطوط المجال "مرئية". إذا تم خلط بلورات عازل ممدودة (على سبيل المثال، الكينين، دواء للملاريا) جيدًا في سائل لزج (على سبيل المثال، زيت الخروع) وتم وضع أجسام مشحونة هناك، فإن البلورات "ستصطف" بالقرب من هذه الأجسام سلاسل على طول خطوط التوتر.

توضح الأشكال أمثلة على خطوط التوتر: كرة موجبة الشحنة (الشكل 104)؛ كرتان مشحونتان بشكل مختلف (الشكل 105)؛ كرتان مشحونتان بالمثل (الشكل 106)؛ لوحتان شحناتهما متساوية في الحجم ومتعاكسة في الإشارة (الشكل 107). المثال الأخير مهم بشكل خاص. يوضح الشكل 107 أنه في الفراغ بين الألواح، بعيدًا عن حواف الألواح، تكون خطوط القوة متوازية: المجال الكهربائي هنا هو نفسه في جميع النقاط.

الحقل الكهربائي،

الذي يكون توتره هو نفسه في جميع نقاط الفضاء يسمى متجانسًا. في منطقة محدودة من الفضاء، يمكن اعتبار المجال الكهربائي منتظمًا تقريبًا إذا تغيرت شدة المجال داخل هذه المنطقة قليلاً.

خطوط المجال الكهربائي ليست مغلقة؛ تبدأ بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة. الخطوط متصلة ولا تتقاطع، حيث أن تقاطعها يعني عدم وجود اتجاه محدد لشدة المجال الكهربائي عند نقطة معينة. وبما أن خطوط القوة تبدأ أو تنتهي على الأجسام المشحونة ثم تتباعد في اتجاهات مختلفة (الشكل 104)، فإن كثافة الخطوط تكون أكبر بالقرب من الأجسام المشحونة. حيث تكون شدة المجال أكبر أيضًا.

أولا: ما الفرق بين نظرية الفعل قصير المدى ونظرية الفعل عن بعد؟ 2. اذكر الخصائص الرئيسية للمجال الكهروستاتيكي.

3. ما هي قوة المجال الكهربائي تسمى؟ 4. ما هي شدة المجال لشحنة نقطية؟ 5. صياغة مبدأ التراكب. 6. ماذا تسمى خطوط المجال الكهربائي؟

7. ارسم خطوط القوة للمجال الكهربائي المنتظم.