Что является источником электростатического поля
Перейти к содержимому

Что является источником электростатического поля

  • автор:

Глава 12. Электростатика. Электрический заряд и электростатическое поле

§12.1. Электрический заряд как источник электрического поля

Для человеческого сознания проще всего воспринимать окружающую действительность как совокупность тел, занимающих место в пространстве. Исходя из этих представлений, естественно думать, что основным предметом электростатики являются электрические заряды, точнее, заряженные тела. На самом деле, это не так. Объектом изучения электростатики является электрическое поле. В рамках курса общей физики сведения непосредственно об электрических зарядах элементарны и не выходят за пределы знаний, полученных ещё в средней школе. Перечислим их.

Электрический заряд особое свойство некоторых тел, благодаря которому они вступают друг с другом в электростатическое взаимодействие. Понятно, что это определение с точки зрения формальной логики никуда не годится, поскольку нет независимого определения электростатического взаимодействия. Можно дать другое: электрический заряд особое свойство некоторых тел, благодаря которому сверкает молния и гремит гром.

Существует электрический заряд двух видов. Для математического удобства их назвали положительным (+) и отрицательным () зарядами.

Заряд это скалярная физическая величина, то есть её можно измерять количественно. Единица измерения в СИ кулон [Кл]. Существует как положительный, так и отрицательный элементарные заряды е (е=1,610 -19 Кл). Это значит, что в природе не встречается зарядов, абсолютная величина которых была бы меньше е.

В окружающем нас мире носителем элементарного отрицательного заряда является электрон е — , масса покоя которого те=9,110 -31 кг, а носителем элементарного положительного заряда является протон р + , масса покоя которого тр=1,6710 -27 кг. Как известно, протоны входят в атомные ядра химических элементов, обеспечивая их положительный заряд. Электроны в количестве, необходимом для компенсации заряда ядра образуют электронные оболочки электрически нейтральных атомов. Таким образом, из протонов и электронов состоит всё окружающее нас вещество. Но очень редко в нашем мире также встречаются частицы, имеющие массу протона и отрицательный элементарный заряд, и частицы, имеющие массу электрона и положительный элементарный заряд. Те и другие образуют атомы антивещества, ядра которых отрицательны, а атомные оболочки положительны. Соответственно и названия частиц антиэлектрон и антипротон. По каким-то причинам природа не допустила равноправия частиц и античастиц в нашем мире: античастицы возникают у нас очень редко и их всегда гораздо меньше чем частиц. Если бы было равноправие, то наш мир не смог бы существовать даже доли секунды: при сближении частиц и античастиц их неудержимо тянет друг к другу, и в результате столкновения происходит аннигиляция, то есть обе сталкивающиеся корпускулы превращаются в излучение, которое не имеет массы покоя. Значит, встреча вещества и антивещества должна была бы привести к взрыву, гораздо страшнее ядерного.

Существует закон сохранения электрического заряда:

количество заряда, то есть алгебраическая сумма всех зарядов, электрически изолированной физической системы является величиной инвариантной не только по отношению к переходам из одной СО в другую, но и по отношению к любым физическим процессам.

Точечным зарядом называется заряд, принадлежащий материальной точке. Точечные заряды в вакууме взаимодействуют в соответствии с экспериментально открытым ещё в 1785 году законом Кулона. Согласно этому закону разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются.

Рис.12.1

Кулоновское взаимодействие полностью подчиняется III-му закону Ньютона, поскольку силы взаимодействия инаправлены по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, противоположно направлены и равны по модулю.

Последняя формула представляет собой количественное содержание закона Кулона:

сила взаимодействия между точечными зарядами прямо пропорциональна модулю произведения зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В формулу Кулона входит мировая константа 0=8,8510 -12 единиц СИ, которая называется электрической постоянной вакуума, а выражение , играющее роль коэффициента пропорциональности, называетсяконстантой Кулона k. k=910 9 единиц СИ.

Каждый заряд является источником особого вида материи электростатического поля.

Вот, собственно, и всё, что можно сказать о заряде.

В нашем курсе часто придется сталкиваться с распределённым по пространству зарядом, подобно тому, как в курсе механики мы сталкивались с распределённой массой. В этом случае роль точечного заряда будет играть дифференциал заряда dq, который в дальнейшем будет называться элементарным зарядом (обратите внимание на другой смысл этого слова по сравнению с определением е). В зависимости от способа пространственного распределения возможны три выражения для элементарного заряда:

в случае непрерывного распределения заряда по объёму:

,

где dV − элементарный объём, занятый зарядом dq, а объёмная плотность заряда.

в случае непрерывного распределения заряда по поверхности:

,

где dS − элементарная поверхность, занятая зарядом dq, а поверхностная плотность заряда.

в случае непрерывного распределения заряда по линии:

,

где dl − элементарный отрезок линии, занятый зарядом dq, а линейная плотность заряда.

Т. Электростатическое поле

Закон Кулона определяет силу взаимодействия между электрическими зарядами, но не объясняет, как это взаимодействие передается на расстояние от одного тела к другому.

Опыты показывают, что это взаимодействие наблюдается и тогда, когда наэлектризованные тела находятся в вакууме. Значит, для электрического взаимодействия не нужна среда. По теории, развитой М. Фарадеем и Дж. Максвеллом, в пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле.

Электростатическое поле — особый вид материи, ее источником являются неподвижные относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчета (ИСО) заряды, посредством которой осуществляется их взаимодействие.

Таким образом, электростатическое поле — материально. Оно непрерывно в пространстве. Исходя из современных представлений, неподвижная заряженная частица является источником электростатического поля, а наличие поля — признаком существования самой заряженной частицы. Взаимодействие электрических зарядов сводится к следующему: поле заряда q1 действует на заряд q2, а поле заряда q2 действует на заряд q1. Эти взаимодействия передаются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света с = 300000 км/с. Электрическое поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, относительно рассматриваемой ИСО называется электростатическим.

Мы не можем непосредственно воспринимать электростатическое поле с помощью наших органов чувств. О существовании электростатического поля мы можем судить по его действиям. Электростатическое поле заряда действует с некоторой силой на любой другой заряд, оказавшийся в поле данного заряда.

Сила, с которой электростатическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называется электрической силой.

Действие электростатического поля на заряд зависит от расположения заряда в этом поле.

Если есть несколько заряженных тел, расположенных в различных точках пространства, то в любой точке этого пространства будет проявляться совместное действие всех зарядов, т.е. электростатического поля, создаваемого всеми этими заряженными телами.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 214-215.

Основные источники электростатических полей

Образование электростатического поля может происходить вблизи работающих электроустановок, распределительных устройств, линий электропередачи и др.

Текстильная промышленность.Электростатические помехи в текстильном производстве обусловлены широким использованием химических волокон, обладающих высокими диэлектрическими свойствами и интенсификацией процессов их переработки. Образование электростатических зарядов вследствие электризации текстильных волокон наблюдается практически по всему технологическому циклу. Причиной возникновения электростатических зарядов в прядении и ткачестве является трение и контакт нитей между собой и нитепроводящей гарнитурой. Уровни напряженности электростатического поля на различных видах прядильного и ткацкого оборудования достигают 20-60 кВ/м и выше. Наиболее интенсивная генерация электростатических зарядов отмечается в отделочном производстве и на сушильно-ширильных, термофиксационных, печатных и других машинах. Основные места образования электростатических зарядов – каландр, накат и направляющие валики.

Уровни напряженности ЭСП могут превышать 120-160 кВ/м.

Деревообрабатывающая промышленность.Специфической особенностью технологического процесса в данной отрасли является использование древесины низкой влажности, электрофизические свойства которой определяются высокими значениями диэлектрической проницаемости и удельного электрического сопротивления. Все это способствует значительной электризации изделий из древесины при ее обработке и образованию ЭСП непосредственно в рабочей зоне. Основным опасным электростатическим оборудованием являются шлифовальные станки различных модификаций и полировальные станки. Уровни напряженности ЭСП могут быть до 120-140 кВ/м.

Целлюлозно-бумажная промышленность.При проведении технологического процесса основа для выпуска бумаги (целлюлоза, канифоль, парафин, древесная масса и др.) подвергается механической обработке в виде давления, перемещения и других операций, обусловливающих возникновение электростатических зарядов. Основные операции, где наблюдается электризация: сушка, отделка и намотка бумаги в рулоны; каландирование бумаги; перемотка бумаги на сортировочных станках. Наиболее интенсивная генерация электростатических зарядов имеет место при сходе полотна с холодного цилиндра и намотки в рулоны. Уровни напряженности ЭСП находятся в диапазоне 60-150 кВ/м.

Химическая промышленность.ЭСП образуются при производстве бумажного пластика, линолеума, шинного корда, полистирольных пленок; уровни напряженности ЭСП составляют 240-500 кВ/м. В процессе обработки пластмассовых застежек “молний” выявлены напряженности ЭСП от единиц до сотен кВ/м. Уровни напряженности на пультах управления при электростатической окраске изделий в изолированных камерах достигают 10 кВ/м. При строительстве высоковольтных линий электропередачи постоянного тока напряженностью 400, 750 и 1150 кВ расчетные величины напряженности ЭСП на уровне земли будут составлять 10-50 кВ/м.

Из приведенных материалов следует, что интенсивность воздействия ЭСП в условиях производства колеблется в широких пределах в зависимости от физико-химических свойств обрабатываемого материала, особенностей технологического процесса, климатических условий внешней среды, расположения человека и др.

Это, в свою очередь, определяет дифференцированный подход при разработке мероприятий по защите от статического электричества.

Биологическое действие электростатических полей

В связи с широким распространением на производстве и в быту и источников ЭСП большое внимание уделяется изучению его биологического действия на организм. Целью изучения, прежде всего, являются гигиенические аспекты действия ЭСП. В основном, изучение действия ЭСП на организм осуществлялось на животных.

В работе Ю.А. Холодова ЭСП напряженностью 250-500 кВ/м вызывали у кроликов реакцию десинхронизации продолжительностью в 3-4 сек., которая возникала лишь в момент включения и выключения поля. В других исследованиях ЭСП напряженностью 130 кВ/м после пятидневной экспозиции приводило к нарушениям электрической активности коры и глубоких структур мозга, что регистрировалось по данным ЭЭГ. Через 5 дней после прекращения воздействия электрическая активность возвращалась к нормальному уровню, что отражает, по-видимому, адаптационный характер вызываемых изменений.

Снижение возбудимости клеток коры головного мозга крыс происходило также при действии ЭСП напряженностью 40 кВ/м.

В то же время не было отмечено изменения условно-рефлекторной регуляции деятельности сердца при действии ЭСП напряженностью 10 кВ/м при различных экспозициях. Но при увеличении экспозиции ЭСП до 4-5 недель наблюдались значительные нарушения этой регуляции. Приведенные результаты по изучению вегетативных функций организма согласуются с данными В.И. Бута, который отметил влияние ЭСП на функциональную активность центров блуждающих нервов и снижение активности их нейронов.

Таким образом, показано, что ЭСП способно влиять на высшую нервную деятельность животных и вызывать функциональные сдвиги обратимого характера со стороны вегетативной нервной системы.

Много исследований о влиянии ЭСП различной напряженности (от 10 до 190 кВ/м) проведено Ф.Г. Портновым. Изучалось действие ЭСП на электрическую активность коры головного мозга, артериальное давление крови, функциональное состояние сердечной мышцы, состояние функции внимания, на свертывающую систему крови, холинэргическую активность крови, активность аминотрансфераз, содержание сульфгидрильных групп в крови, содержание адениловых нуклеотидов в эритроцитах крови, на некоторые показатели иммунобиологической резистентности. Наблюдались изменения этих показателей, свидетельствующие о понижении реактивности вегетативной нервной системы. Длительное пребывание животных в ЭСП вызывало адаптацию их к этому фактору.

Систематическое воздействие на организм человека электростатического поля высокой напряженности может вызвать функциональные изменения со стороны центральной нервной системы, сердечно-сосудистой, нейрогуморальной и других систем организма.

Степень воздействия ЭСП на организм зависит от величины напряженности поля и времени пребывания человека в поле.

Гигиеническое нормирование электростатических полей

И методика измерения

Интенсивность ЭСП на рабочих местах персонала, осуществляющего работы с источниками ЭСП, предельно допустимые уровни ЭСП, требования к проведению контроля, основные меры защиты от ЭСП регламентируются:

— СН № 1157-77 “Санитарно-гигиенические нормы допустимой напряженности электростатического поля”;

— ГОСТ 12.1.045-84 “Электрические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”. Согласно ему предельно допустимый уровень напряженности ЭСП (Е пред.) устанавливается равным 60 кВ/м в течение 1 часа. При напряженности ЭСП ниже 20 кВ/м время пребывания в ЭСП не регламентируется. В диапазоне напряженности от 20 до 60 кВ/м допустимое время пребывания персонала в ЭСП без средств защиты (tдоп в часах) определяется по формуле:

,

где Ефакт – фактическое значение напряженности ЭСП, кВ/м.

Допустимые уровни напряженности ЭСП при применении товаров народного потребления регламентируются СН 001-06 “Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях”.

Приборы для измерения ЭСП. Измерение напряженности ЭСП проводится на постоянных рабочих местах и в местах возможного нахождения людей у электризованных поверхностей. В случае отсутствия постоянного рабочего места выбирается несколько точек в пределах рабочей площадки, на которой работник проводит не менее 50% рабочего времени. При обнаружении превышения ПДУ в зоне нахождения работника необходимо определить расстояние от источника ЭСП, то есть зону безопасных условий труда.

В каждой точке измерения проводятся на 3-х уровнях от пола: 0, 5; 0, 1 и 1, 7 м. На каждом уровне измерения проводятся троекратно. В протокол заносятся среднеарифметические величины.

Приборы, рекомендуемые для измерения ЭСП:

— ИЭСП – 6 (для измерения потенциалов от мониторов);

— ИЭСП – 7, ИНЭП –20Д (для измерения напряженности ЭСП в пространстве);

— СТ – 01 (для измерения поля и потенциала ЭСП);

— ИЭСП – 01 (для измерения потенциала экрана);

— ЭСПИ –301Б (для измерения напряженности ЭСП)

В соответствии с Руководством “Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса” (Р 2.2.755-99) условия труда при воздействии ЭСП подразделяются на 4 класса: оптимальный (уровни соответствуют естественному фону), допустимый (уровни не превышают ПДУ), вредный (по степени превышения ПДУ подразделяется на 4 степени), опасный (условия труда для кратковременного воздействия ЭСП).

Электростатическое поле.

Неподвижные электрические заряды создают электростатическое поле. Источником электростатического поля являются неподвижные точечные заряды.

Основной задачей электростатики является: по заданному распределению зарядов найти:

а) величину и направление вектора (напряженности поля) – силовую характеристику поля.

б) энергетическую характеристику поля – потенциал φ.

Напряженность электрического поля является силовой характеристикой. Всякий заряд в окружающем его пространстве создает электрическое поле. Чтобы это поле обнаружить, надо поместить в точку наблюдения точечный пробный заряд (qпр >0).

Напряженностью электрического поля называется векторная величина, равная отношению силы, действующей со стороны поля на помещенный в данную точку пробный заряд, к величине этого заряда

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы.

Модуль напряженности поля точечного заряда можно определить, используя закон Кулона (1) при q1=q и q2=qпр и определение напряженности поля (4):

В системе СИ единицей напряженности является В/м.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *