Elektrisk felt

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 5. maj 2021; checks kræver 29 redigeringer .

Et elektrisk felt er en speciel form for stof, der omgiver hver elektrisk ladning og udøver en kraft på alle andre ladninger, tiltrækker eller frastøder dem. [1] [2] Elektriske felter opstår fra elektriske ladninger eller tidsvarierende magnetiske felter .

Elektriske og magnetiske felter betragtes som manifestationer af en mere generel virkelighed - det elektromagnetiske felt , der er ansvarligt for en af naturens fundamentale interaktioner (sammen med gravitationel, stærk og svag).

Elektriske felter er vigtige inden for mange områder af fysik og bruges praktisk talt i elektroteknik. For eksempel i atomfysik og kemi er det elektriske felt den kraft, der holder atomkernen og elektronerne sammen i atomer. Denne kraft er ansvarlig for de kemiske bindinger mellem atomer, der danner molekyler .

Andre anvendelser af elektriske felter omfatter bevægelsesdetektion gennem kapacitive teknikker og et voksende antal diagnostiske og terapeutiske medicinske anvendelser.

Et elektrisk felt er matematisk defineret som et vektorfelt, der relaterer til hvert punkt i rummet en kraft (elektrostatisk eller Coulomb ) pr. enhedsladning påført en uendelig positiv testladning i hvile på det punkt. [3] [4] [5] SI - enheden for elektrisk felt er volt pr. meter (V/m) eller tilsvarende newton pr. coulomb (N/C).

Beskrivelse

Det elektriske felt er defineret ved hvert punkt i rummet som kraften (pr. ladningsenhed), der opleves af en forsvindende lille positiv testladning placeret på det punkt. [6] :469–70 Da et elektrisk felt er defineret som en kraft , og en kraft er en vektor (det vil sige, der har både størrelse og retning), følger det, at et elektrisk felt vil være et vektorfelt . :469–70 Vektorfelter af denne art kaldes undertiden kraftfelter . Et elektrisk felt virker mellem to ladninger på samme måde, som et gravitationsfelt virker mellem to masser placeret i en vis afstand, da de begge adlyder den omvendte kvadratlov . [7] Coulombs lov siger, at for stationære ladninger varierer det elektriske felt med ladningen af kilden og varierer omvendt med kvadratet på afstanden fra kilden. Det betyder, at når ladningen af kilden fordobles, fordobles det elektriske felt, og hvis testladningen flyttes dobbelt så langt fra kilden, så vil feltet på dette tidspunkt kun være en fjerdedel af sin oprindelige styrke.

Et elektrisk felt kan visualiseres ved hjælp af et sæt linjer, hvis retning er den samme som feltets retning på det punkt. Dette koncept blev introduceret af Michael Faraday [8] , hvis begreb "kraftlinjer" stadig er i brug. Denne fortolkning er nyttig, idet den elektriske feltstyrke er proportional med linjetætheden. [9] Feltlinjer er de stier, som en positiv punktladning af uendelig masse ville følge, når den er tvunget til at bevæge sig i et feltområde, svarende til de stier , som testmasser følger i et gravitationsfelt. Stationære ladningslinjer med kraft har flere vigtige egenskaber: Feltlinjer starter fra positive ladninger og slutter med negative ladninger, de går ind i alle gode ledere vinkelret, og de krydser eller kortslutter aldrig. Feltlinjer er praktiske til skematisk præsentation; men feltet gennemsyrer faktisk hele mellemrummet mellem linjerne. Du kan tegne flere eller færre streger, afhængigt af den præcision, du ønsker at repræsentere feltet med. Studiet af elektriske felter skabt af stationære ladninger kaldes elektrostatik .

Faradays lov beskriver forholdet mellem tidsvarierende magnetiske og elektriske felter. En måde at angive Faradays lov på er, at krøllen af det elektriske felt er lig med den negative partielle afledte af magnetfeltet med hensyn til tid. [10] :327 I fravær af et tidsvarierende magnetfelt siges det elektriske felt at være potentielt (det vil sige rotorløst). :24,90–91 Det betyder, at der er to slags elektriske felter: elektrostatiske felter og felter, der opstår fra tidsvarierende magnetfelter. :305–307 Et statisk elektrisk felt anses for at bruge elektrostatik, men med et tidsvarierende magnetfelt skal et elektromagnetisk felt overvejes . Studiet af tidsvarierende magnetiske og elektriske felter kaldes elektrodynamik .

Matematisk formulering

Elektriske felter er forårsaget af elektriske ladninger beskrevet af Gauss -loven [11] og tidsvarierende magnetiske felter beskrevet af Faradays lov om elektromagnetisk induktion . [12] Disse love er tilstrækkelige til at bestemme opførselen af et elektrisk felt i et vakuum. Men da magnetfeltet er beskrevet som en funktion af det elektriske felt, så er ligningerne for begge felter relaterede og danner tilsammen Maxwells ligninger, som beskriver begge felter som en funktion af ladninger og strømme .

Elektrostatik

I det særlige tilfælde af en stationær tilstand (stationære ladninger og strømme), forsvinder den induktive Maxwell-Faraday-effekt. De resulterende to ligninger (Gauss lov og Faradays lov uden det induktive led ), taget tilsammen, svarer til Coulombs lov , som siger, at en partikel med en elektrisk ladning i et punkt (radiusvektor) virker med en kraft på en partikel med en opladning ved et punkt : [13] ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0))))$ $\nabla \times \mathbf {E} =0$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$ $q_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$

{\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}

hvor er en enhedsvektor i punkt -til-punkt retningen , og ε 0 er en elektrisk konstant (også kendt som "absolut permittivitet af frit rum") med enheder af C 2 m −2 N −1 . Hvis ladningerne ikke er i et vakuum, men i et homogent dielektrikum, erstattes det af mediets permittivitet . ${\boldsymbol {r}}_{1,0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $\varepsilon_{0}$ $\varepsilon _{0}\varepsilon$

Når ladningerne og har de samme fortegn, er denne kraft positiv og rettet væk fra den anden ladning, det vil sige, at partiklerne frastøder hinanden. Når ladningerne har modsat fortegn, er kraften negativ, hvilket indikerer, at partiklerne er tiltrukket. For at forenkle beregningen af Coulomb-kraften for enhver ladning ved punktet , kan dette udtryk opdeles ved at lade det udtryk, der kun afhænger af den anden ladning ( kildeladning ) [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}

Dette er det elektriske felt i et punkt skabt af en punktladning . Det er en vektorfunktion, der er lig med Coulomb-kraften pr. ladningsenhed, der opleves af en positiv punktladning i et punkt . Da denne formel giver størrelsen og retningen af det elektriske felt på ethvert punkt i rummet (undtagen placeringen af selve ladningen , hvor den bliver uendelig), så bestemmer den vektorfeltet . Det kan ses af ovenstående formel, at det elektriske felt skabt af en punktladning overalt er rettet væk fra ladningen, hvis den er positiv, og mod ladningen, hvis den er negativ, og dens størrelse falder i forhold til det omvendte kvadrat af afstand fra ladningen. ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$

Coulomb-kraften, der virker på en ladning med en værdi på et hvilket som helst punkt i rummet, er lig med produktet af ladningen og det elektriske felt på det punkt $q$

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

SI- enhederne for det elektriske felt er newton pr. coulomb (N/C) eller volt pr. meter (V/m); i grundlæggende SI- enheder er det kg⋅m⋅s −3 ⋅A −1.

Superpositionsprincip

På grund af lineariteten af Maxwells ligninger , opfylder elektriske felter superpositionsprincippet , som siger, at det samlede elektriske felt i et punkt fra ladninger fordelt i rummet er lig med vektorsummen af de elektriske felter, der skabes på dette punkt af individuelle ladninger. Dette princip er nyttigt til at beregne det felt, der produceres af flere punktafgifter. Hvis ladningerne er fikseret ved punkter , så i fravær af strømme, siger superpositionsprincippet, at det resulterende felt er summen af felterne genereret af hver partikel, og er beskrevet af Coulombs lov: ${\displaystyle q_{1},q_{2},...,q_{n))$ ${\displaystyle \mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2},...\mathbf {x} _{n))$

{\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} \ over ({\boldsymbol {x}}_{3}-{\boldsymbol {x}})^{2}}{\hat {\boldsymbol {r}}}_{3}+\cdots

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

hvor er en enhedsvektor rettet fra punkt til punkt . ${\boldsymbol {{\hat {r}}_{k}}}$ ${\boldsymbol {x}}_{k}$ ${\fed symbol {x}}$

Kontinuerlig ladningsfordeling

Superpositionsprincippet gør det muligt at beregne det elektriske felt ud fra en kontinuerlig ladningsfordeling (hvor er ladningstætheden i coulomb pr. kubikmeter). Givet ladningen i hvert lille rumfang i et punkt som en punktladning, så kan det elektriske felt ved punktet beregnes som $\rho ({\boldsymbol {x)))$ $\rho$ $\rho ({\boldsymbol {x))')dV$ $dV$ ${\boldsymbol {x}}'$ $d{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})$ ${\fed symbol {x}}$

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

hvor er en enhedsvektor rettet fra til . Det samlede elektriske felt findes ved at "tillægge" bidragene fra alle små volumener ved at integrere over volumenet af ladningsfordelingen : ${\hat {\boldsymbol {r))}'$ ${\boldsymbol {x}}'$ ${\fed symbol {x}}$ $\rho (x')$

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

Lignende ligninger er skrevet for overfladeladning med en kontinuerlig ladningsfordeling, hvor ladningstætheden er i coulomb pr. kvadratmeter $\sigma ({\boldsymbol {x)))$ $\sigma$

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

og for lineære ladninger med en kontinuerlig ladningsfordeling, hvor er ladningstætheden i coulomb pr. meter. $\lambda ({\boldsymbol {x)))$ $\lambda$

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

Elektrisk potentiale

Hvis systemet er statisk, så magnetfelterne ikke ændrer sig med tiden, så er det elektriske felt ifølge Faradays lov potentielt . I dette tilfælde kan du indstille det elektriske potentiale , det vil sige en funktion sådan, at . [15] Dette er en analog af gravitationspotentialet . Forskellen mellem det elektriske potentiale ved to punkter i rummet kaldes potentialforskellen (eller spændingen) mellem disse to punkter. $\Phi$ $\mathbf {E} =-\nabla \Phi$

Men i det generelle tilfælde kan det elektriske felt ikke beskrives uafhængigt af magnetfeltet. Givet den magnetiske potentialvektor A , defineret som , kan vi indstille det elektriske potentiale i formen $\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A}$ $\phi$

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

hvor er den elektriske potentialgradient og er den partielle afledte af A med hensyn til tid. $\nabla \Phi$ ${\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t))$

Faradays induktionslov kan opnås ved at tage rotoren fra denne ligning [16]

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

som a posteriori bekræfter rigtigheden af den valgte form for E.

Kontinuerlig og diskret afgiftsrepræsentation

For at skrive elektromagnetismens ligninger er det bedre at bruge kontinuerlige funktioner. Det er dog nogle gange mere bekvemt at beskrive afgifterne som separate punkter; for eksempel er det i nogle modeller muligt at beskrive elektroner som punktkilder, hvor ladningstætheden er uendelig over et uendeligt lille område af rummet.

Ladningen lokaliseret i matematisk kan beskrives som ladningstætheden , hvor Dirac delta-funktionen bruges (i tre dimensioner). Omvendt kan en kontinuerlig ladningsfordeling tilnærmes med mange små punktafgifter. $q$ $\mathbf {r_{0}}$ $\rho (\mathbf {r} )=q\delta (\mathbf {r-r_{0)) )$

Elektrostatiske felter

Elektrostatiske felter er elektriske felter, der ikke ændrer sig med tiden, hvilket sker, når ladninger og strømme er stationære. I dette tilfælde beskriver Coulombs lov fuldstændigt det elektriske felt. [17]

Paralleller mellem elektrostatiske og gravitationsfelter

Coulombs lov, der beskriver samspillet mellem elektriske ladninger:

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

svarende til Newtons lov om universel gravitation :

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

(hvor er enhedsvektoren), hvilket tyder på en lighed mellem det elektriske felt E og gravitationsfeltet g eller deres tilknyttede potentialer. Masse kaldes undertiden "tyngdeladning". [atten] $\mathbf {\hat {r}} =\mathbf {r/|r|}$

Både elektrostatiske og gravitationskræfter er centrale , konservative og adlyder den omvendte kvadratlov .

Ensartede felter

Et ensartet felt er et felt, hvor det elektriske felt er konstant i hvert punkt. Dette kan groft repræsenteres ved at placere to ledende plader parallelt med hinanden og opretholde en spænding (potentialforskel) mellem dem, men på grund af grænseeffekter (nær kanten af planerne) forvrænges det elektriske felt. Hvis man antager uendelige planer, er størrelsen af det elektriske felt E :

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

hvor ΔV er potentialforskellen mellem pladerne og d er afstanden der adskiller pladerne. Det negative fortegn opstår, når positive ladninger frastøder hinanden, så den positive ladning vil blive udsat for kraft fra den positivt ladede plade i modsat retning af den, hvori spændingen stiger. I mikro- og nanoapplikationer, såsom dem, der er relateret til halvledere, er et typisk elektrisk felt i størrelsesordenen 10 6 V⋅m −1 , hvilket opnås ved at påføre en spænding af størrelsesordenen 1 volt mellem ledere med en afstand på 1 µm fra hinanden.

Elektrodynamiske felter

Elektrodynamiske felter er elektriske felter, der ændrer sig over tid, såsom når ladninger er i bevægelse.

I dette tilfælde skabes magnetfeltet i overensstemmelse med Amperes lov ( under hensyntagen til Maxwells ligninger ), som sammen med andre Maxwells ligninger definerer magnetfeltet i formen $\mathbf {B}$

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

hvor er strømtætheden , er den magnetiske permeabilitet af vakuumet , og er permittiviteten af vakuumet . Elektriske strømme (ladninger, der bevæger sig ensartet) og den partielle afledning af det elektriske felt med hensyn til tid bidrager direkte til skabelsen af et magnetfelt. ${\mathbf {J}}$ $\mu_{0}$ $\varepsilon_{0}$

Derudover siger Maxwell-Faraday-ligningen

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

De to af Maxwells fire ligninger skrevet ovenfor relaterer de elektriske og magnetiske felter tæt, hvilket resulterer i et elektromagnetisk felt .

Kraften, der opleves af en testladning i et elektromagnetisk felt, og i det generelle tilfælde bestemmes af Lorentz-formlen

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

;

i elektrostatik eller magnetostatik forbliver kun det første eller kun det andet led i denne formel.

Elektrisk feltenergi

Den samlede energi pr. volumenenhed lagret af det elektromagnetiske felt er [19]

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

hvor ε er permittiviteten af mediet, hvori feltet eksisterer, dets magnetiske permeabilitet , og E og B er vektorerne for de elektriske og magnetiske felter. $\mu$

Da felterne E og B er beslægtede, ville det være forkert at adskille dette udtryk i "elektriske" og "magnetiske" bidrag. Men i det stationære tilfælde er felterne ikke længere koblet (se Maxwells ligninger ). I dette tilfælde giver det mening at beregne den elektrostatiske energi pr. volumenhed

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

Således er den samlede energi U lagret i det elektriske felt i et givet volumen V lig med

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

På den anden side kan elektrostatisk energi beregnes i form af ladningstæthed og elektrisk potentiale ved at integrere over systemets volumen: $\rho$ $\Phi$

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

Ligheden mellem to udtryk for elektrostatisk energi, hvoraf det ene afhænger af det elektriske felt E , og det andet af det elektriske potentiale , bevises af integralfeltenergisætningen, hvor integration sker over hele det uendelige volumen. [tyve] $\Phi$

Elektrisk induktionsfelt

Komplet ligning af vektorfelter

I nærvær af stof er det nyttigt at udvide begrebet et elektrisk felt til tre vektorfelter: [21]

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

hvor P er polariseringen af dielektrikumet - bulkdensiteten af elektriske dipolmomenter , og D er feltet for elektrisk induktion . Da E og P er defineret separat, kan denne ligning bruges til at bestemme D. Den fysiske fortolkning af D er ikke så klar som E (faktisk felt påført materialet) eller P (induceret felt på grund af elektriske dipoler i materialet). men tjener stadig en bekvem matematisk forenkling, da Maxwells ligninger kan forenkles i form af gratis ladninger og strømme .

Materialeforhold

Felterne E og D er koblet af den dielektriske konstant for materialet ε . [22]

For lineære, homogene, isotrope materialer er E og D proportionale og konstante i hele volumen uden afhængighed af koordinater

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

For inhomogene materialer er der en koordinatafhængighed [23]

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

For anisotrope materialer er felterne E og D ikke parallelle, og derfor er E og D relateret via permittivitetstensoren (rang 2 tensorfelt ) i komponentform:

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

For ikke-lineære medier er E og D ikke proportionale. Materialer kan have forskellige grader af linearitet, ensartethed og isotropi.

Observation af det elektriske felt i hverdagen

For at skabe et elektrisk felt er det nødvendigt at skabe en elektrisk ladning . Gnid en form for dielektrikum på uld eller noget lignende, såsom en plastikpen på dit eget rene hår. En ladning vil blive skabt på håndtaget, og et elektrisk felt omkring det. En opladet pen vil tiltrække små stykker papir til sig selv. Hvis du gnider en genstand med større bredde på uld, for eksempel et gummibånd, vil det i mørket være muligt at se små gnister, der opstår fra elektriske udladninger .

Et elektrisk felt opstår ofte i nærheden af en fjernsynsskærm (gælder for CRT -fjernsyn ), når fjernsynet tændes eller slukkes. Dette felt kan mærkes ved dets virkning på hårene på armene eller ansigtet.

Metoder til beregning af det elektriske felt

Beregninger af det elektriske felt kan udføres ved analytiske [24] [25] [26] eller numeriske metoder [27] . Analysemetoder kan kun anvendes i de enkleste tilfælde; i praksis anvendes hovedsageligt numeriske metoder. Numeriske metoder omfatter: gittermetode eller finite difference-metode ; variationsmetoder; finite element metode ; metode til integralligninger; metode for tilsvarende afgifter [27] .

Jordens elektriske felt

Jorden har en negativ ladning på omkring 600.000 C. Til gengæld har Jordens ionosfære en positiv ladning. Derfor er hele Jordens atmosfære op til en højde af cirka 50 km fyldt med et elektrisk felt, som tilnærmelsesvis kan betragtes som homogent [28] . Intensiteten af dette felt er fra 100 til 300 V/m nær overfladen. Vi mærker ikke denne potentielle forskel, da den menneskelige krop er en leder, så ladningen overføres delvist fra Jorden til den. På grund af dette danner kroppen sammen med Jordens overflade en enkelt ækvipotentialflade (det vil sige potentialforskellen mellem et vilkårligt punkt i en højde af 2 m og Jordens overflade er ca. 200 volt, men potentialforskellen mellem det menneskelige hoved og Jordens overflade, som den står på, er tæt på nul).

Den samlede potentialeforskel mellem Jorden og ionosfæren er 400.000 volt [28] .

Jordens elektriske felt påvirker bevægelsen af ladede partikler i atmosfæren. Positivt ladede partikler bevæger sig ned i det, og negativt ladede partikler bevæger sig op. Ladede partikler dannes konstant i atmosfæren under påvirkning af kosmiske stråler, på grund af hvilken en konstant strøm med en kraft på 10-12 ampere pr. kvadratmeter opretholdes i den [28] .

Sikkerhed i det elektriske felts indflydelsesområde

Et elektrisk felt opstår, når der er spænding på de strømførende dele af elektriske installationer .

Det rum, hvor den elektriske feltstyrke er 5 kV/m og mere, kaldes almindeligvis en farlig zone eller indflydelseszone. Cirka kan denne zone anses for at ligge inden for en cirkel centreret ved placeringen af den nærmeste strømførende del under spænding og med en radius på R = 20 m for elektriske installationer på 400-500 kV og R = 30 m for elektriske installationer på 750 kV.

I udendørs koblingsanlæg på 110 kV og derover og på luftledninger på 330 kV og derover, når der udføres arbejde i påvirkningszonen af et elektrisk felt med en styrke på mere end 5 kV / m, er det nødvendigt at begrænse varigheden af folks ophold i overensstemmelse med kravene i GOST 12.1. beskyttelse).

Med en elektrisk feltstyrke på op til 5 kV / m er opholdets varighed i den ikke begrænset.

Varigheden af arbejdet i et elektrisk felt med en styrke på 20 til 25 kV / m bør ikke overstige 10 minutter. Ved spændinger over 25 kV/m bør der anvendes beskyttelsesudstyr for at tillade fuldtidsarbejde.

Den tilladte varighed af ophold i det elektriske felt T, timer, med en styrke i området fra mere end 5 til 20 kV / m inklusive, beregnes ved hjælp af formlen

$T=50/E-2$ , h

hvor E er styrken af det aktuelle elektriske felt i det kontrollerede område, kV/m.

De højere krav er gældende, forudsat at muligheden for at udsætte medarbejdere for elektriske udladninger er udelukket.

Sammen med den biologiske virkning forårsager det elektriske felt forekomsten af udladninger mellem en person og en metalgenstand, der har et andet potentiale end en person. Hvis en person står direkte på jorden eller på en ledende jordet base, så er hans krops potentiale praktisk talt nul, og hvis han er isoleret fra jorden, er kroppen under et vist potentiale og når nogle gange flere kilovolt.

Det er klart, at berøring af en person isoleret fra jorden til en jordet metalgenstand, såvel som berøring af en person, der har kontakt med jorden til en metalgenstand isoleret fra jorden, ledsages af passage af en udladningsstrøm gennem person ned i jorden, hvilket kan forårsage smertefulde fornemmelser, især i det første øjeblik. Ofte er berøringen ledsaget af en gnistudladning. I tilfælde af berøring af en lang metalgenstand isoleret fra jorden (rørledning, trådhegn på træstativer osv., eller et stort metaltag på en træbygning osv.), kan strømmen, der passerer gennem en person, nå livstruende værdier .

Den tilladte værdi af strømmen, der passerer gennem en person i lang tid og på grund af påvirkningen af det elektriske felt i elektriske ultrahøjspændingsinstallationer er ca. 50-60 μA, hvilket svarer til den elektriske feltstyrke i en persons højde på ca. 5 kV/m. Hvis, med elektriske udladninger, der opstår i det øjeblik, en person rører en metalstruktur, der har et potentiale, der er forskelligt fra en persons, den konstante strøm ikke overstiger 50-60 μA, så oplever personen som regel ikke smerte . Derfor accepteres denne aktuelle værdi som en standard (tilladt).

Den tilladte varighed af ophold i et elektrisk felts indflydelseszone uden beskyttelsesudstyr kan realiseres én gang eller med pauser i løbet af arbejdsdagen. I resten af tiden skal du bruge værnemidler eller være i et elektrisk felt med en styrke på op til 5 kV/m.

På forskellige punkter i rummet nær elektriske installationer har den elektriske feltstyrke forskellige værdier og afhænger af en række faktorer: den nominelle spænding, afstanden (langs højden og vandret) af det pågældende punkt fra strømføring dele osv.

Varigheden af en persons ophold i det kontrollerede område indstilles under hensyntagen til den højeste værdi af den målte spænding.

De vigtigste midler til kollektiv beskyttelse mod virkningerne af et elektrisk felt med industriel frekvens er stationære og bærbare varianter af afskærmningsanordninger.

I jordede førerhuse og karosserier af maskiner, mekanismer, mobile værksteder og laboratorier, i armeret betonbygninger, i murstensbygninger med armeret betongulve, en metalramme eller et jordet metaltag, er der intet elektrisk felt, og brugen af beskyttelsesudstyr er ikke påkrævet.

Bærbare og mobile afskærmningsanordninger skal jordes på deres installationssted ved tilslutning til en jordingsanordning eller metalkonstruktioner, der er forbundet til en jordingsanordning med en fleksibel kobberleder med et tværsnit på mindst 4 mm 2 .

Aftagelige afskærmningsanordninger skal have en galvanisk forbindelse med de mekanismer, som de er installeret på. For jordingsmaskiner og mekanismer er yderligere jording af aftagelige afskærmningsenheder ikke påkrævet.

Jording af individuelle afskærmningssæt udføres ved hjælp af specielle sko med ledende såler. Når der udføres arbejde i stående stilling på en isolerende base (trægulv, isolator, malet metal) eller arbejde i forbindelse med berøring af jordede strukturer med en ubeskyttet hånd (med handsker eller vanter fjernet), skal afskærmningstøjet yderligere jordes ved at forbinde det med en speciel fleksibel leder med et tværsnit på 4 mm 2 til en jordet struktur eller til en jordingsanordning.

Det er forbudt at bruge individuelle afskærmningssæt under arbejdet, hvis muligheden for at berøre strømførende dele under spænding op til 1000 V ikke er udelukket, samt ved test af udstyr (for arbejdere, der direkte udfører test med øget spænding) og elektrisk svejsning . Beskyttelse af arbejdere i dette tilfælde skal udføres ved brug af afskærmningsanordninger.

Når der udføres arbejde på sektioner af afbrudte strømførende dele, der er placeret i det elektriske felts indflydelseszone, skal de jordes for at fjerne det inducerede potentiale.

Det er forbudt at røre ved afbrudte, men ikke jordede strømførende dele uden beskyttelsesudstyr.

Reparationsværktøj og udstyr, der kan være isoleret fra jord, skal også jordes.

Maskiner og mekanismer på pneumatiske hjul, der er placeret i det elektriske felts indflydelseszone, skal jordes. Under deres bevægelse i denne zone, for at fjerne det reducerede potentiale, skal en metalkæde bruges, fastgjort til chassiset eller til kroppen og rører jorden.

Det er forbudt at tanke maskiner og mekanismer med brændbare stoffer og smøremidler i påvirkningszonen fra et elektrisk felt.

Når du klatrer på udstyr og strukturer, der er placeret i et elektrisk felts indflydelseszone, bør beskyttelsesudstyr anvendes uanset værdien af den elektriske feltstyrke og varigheden af arbejdet i det. I tilfælde af løft med teleskoptårn eller hydraulisk lift, skal deres kurve (vugger) være udstyret med en skærm, eller der skal bruges afskærmningssæt.

Noter

↑ Purcell Edward M., Morin David J. Elektricitet og magnetisme . — 3. — New York: Cambridge University Press, 2013. — S. 14–20. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Browne, s. 225: "... omkring hver ladning er der en aura, der fylder hele rummet. Denne aura er det elektriske felt på grund af ladningen. Det elektriske felt er et vektorfelt ... og har en størrelse og retning."
↑ Richard Feynman. The Feynman Lectures on Physics Vol II . - Addison Wesley Longman, 1970. - S. 1-3,1-4. - ISBN 978-0-201-02115-8 .
↑ Purcell. Elektricitet og magnetisme . - Cambridge University Press, 2013. - S. 15–16. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Serway. College Physics, 10. udg. . — Cengage Learning. - S. 532-533. — ISBN 978-1305142824 .
↑ Sears, Francis (1982), University Physics, Sixth Edition , 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, femte udgave , ISBN 0-582-42629-4
↑ Tou. Visualisering af felter og applikationer i teknik . - John Wiley og sønner. - S. 64. - ISBN 9780470978467 .
↑ Griffiths, David J. (David Jeffery), 1942-. Introduktion til elektrodynamik. — 3. - Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall, 1999. - ISBN 0-13-805326-X .
↑ Purcell, s. 25: "Gauss' lov: fluxen af det elektriske felt E gennem enhver lukket overflade... er lig med 1/e gange den totale ladning omsluttet af overfladen."
↑ Purcell, s. 356: "Faradays lov om induktion."
↑ Purcell, p7: "... samspillet mellem elektriske ladninger i hvile er beskrevet af Coulombs lov: to stationære elektriske ladninger frastøder eller tiltrækker hinanden med en kraft, der er proportional med produktet af ladningernes størrelse og omvendt proportional med kvadratet af afstand mellem dem.
↑ Purcell, Edward. Elektricitet og Magnetisme, 2. Udg. . - Cambridge University Press, 2011. - S. 8–9. — ISBN 978-1139503556 .
↑ vokse. Krølle og potentiale i elektrostatik . physicspages.com (8. oktober 2011). Hentet 2. november 2020. Arkiveret fra originalen 22. marts 2019. (ubestemt)
↑ Huray. Maxwells ligninger . — ISBN 978-0-470-54276-7 .
↑ Purcell, s. 5-7.
↑ Salam, Abdus (16. december 1976). "Kvarker og leptoner kommer ud for at lege" . Ny videnskabsmand . 72 .
↑ Introduction to Electrodynamics (3rd Edition), DJ Griffiths, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007, ISBN 81-7758-293-3
↑ Fedosin SG Feltenergiens integralsætning. Gazi University Journal of Science. Vol. 32, nr. 2, s. 686-703 (2019). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3252783 . // Integralfeltenergisætning .
↑ Electromagnetism (2nd Edition), IS Grant, WR Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-92712-9
↑ Electricity and Modern Physics (2nd Edition) , GAG Bennet, Edward Arnold (UK), 1974, ISBN 0-7131-2459-8
↑ Landau Lev Davidovich, Lifshitz Evgeny M. Electrodynamics of Continuous Media : [ eng. ] . - Pergamon, 1963. - Vol. 8. - S. 285. - "I Maxwells ligninger... er ε en funktion af koordinaterne." — ISBN 978-0-7581-6499-5 .
↑ Grinberg G. A. Udvalgte spørgsmål i den matematiske teori om elektriske og magnetiske fænomener. — M.: AN SSSR, 1948. — 727 s.
↑ Mirolyubov N. N., Kostenko M. V., Levinshtein M. L. Metoder til beregning af elektrostatiske felter. - M .: Højere skole, 1963. - 416 s.
↑ Smythe W. Elektrostatik og elektrodynamik. — M.: IL, 1954. — 604 s.
↑ 1 2 Kolechitsky E. S. Beregning af elektriske felter i højspændingsenheder. — M.: Energoatomizdat, 1983. — 168 s.
↑ 1 2 3 Elektricitet i Atmosfæren

Litteratur

Purcell, Edward. ELEKTRICITET OG MAGNETISME / Purcell, Edward, Morin, David. — 3. - Cambridge University Press, New York, 2013. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
Browne, Michael. FYSIK FOR INGENIØR OG VIDENSKAB. — 2. - McGraw-Hill, Schaum, New York, 2011. - ISBN 978-0-07-161399-6 .