Источники электрического поля: понятие, примеры
Электрическое поле является неотъемлемой частью окружающего нас мира. Без него была бы невозможна работа большинства электрических приборов и устройств. Но что же такое электрическое поле и откуда оно берется?
Основные понятия об электрическом поле
Электрическое поле представляет собой особую форму материи, которая создается электрическими зарядами и оказывает силовое воздействие на другие заряженные тела. Основными свойствами электрического поля являются:
- Наличие потенциальной энергии, которая может передаваться заряженным частицам
- Способность совершать работу по перемещению электрических зарядов
- Наличие напряженности, которая численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд
Различают электростатическое поле, создаваемое неподвижными зарядами, и электромагнитное поле, образуемое движущимися зарядами. К основным параметрам электрического поля относят:
- Напряженность (измеряется в В/м)
- Потенциал (измеряется в Вольтах)
- Разность потенциалов (также в Вольтах)
Естественные источники электрического поля
Электрическое поле встречается не только в искусственных условиях, созданных человеком, но и в естественной природной среде. К естественным источникам электрического поля относится:
-
Атмосферное электричество
Оно образуется в результате трения воздушных потоков друг о друга, а также испарения влаги с поверхности водоемов. Это приводит к появлению электрически заряженных частиц и возникновению разности потенциалов между облаками и земной поверхностью. В результате в атмосфере возникают молнии, создающие импульсы электрического поля огромной напряженности.
-
Электрическое поле Земли
Оно создается благодаря наличию в земной коре свободных электрических зарядов, возникающих в процессе радиоактивного распада элементов. Напряженность поля Земли составляет примерно 100-300 В/м.
Земной шар имеет отрицательный заряд около 5 × 10^7 Кл. Напряженность электрического поля Земли может резко возрастать во время гроз и других природных явлений.
Искусственные источники электрического поля
Источником электрического поля в технических устройствах являются неподвижные или движущиеся электрические заряды.
Электростатическое поле создается электростатическими зарядами, находящимися в неподвижном состоянии. Примерами устройств, генерирующих такое поле, служат электрофорные машины, электростатические генераторы Ван-де-Граафа и другие. Электростатическое поле широко используется в различных отраслях промышленности и науки.
Электрическое поле проводника с током
При протекании по проводнику электрического тока также создается электрическое поле. Его источниками внутри проводника являются объемные и поверхностные заряды. Особенностью данного поля является наличие как электростатических, так и электромагнитных составляющих излучения.
Внутри однородного проводника существуют только поверхностные заряды. А в неоднородных проводниках появляются дополнительно и объемные заряды, обусловленные изменением проводимости материала.
| Поверхностные заряды | Объемные заряды |
| Возникают на границе проводника и окружающей среды | Распределены по всему объему проводника |
| Существуют в любых проводниках при протекании тока | Появляются в неоднородных проводниках |
Таким образом, источниками электрического поля в технике могут служить как неподвижные, так и движущиеся носители электрического заряда.
Электромеханические источники электрического поля
К электромеханическим источникам относятся устройства, преобразующие механическую энергию в электрическую. Среди них можно выделить:
- Емкостные генераторы
- Индуктивные генераторы
- Пьезоэлектрические генераторы
Их работа основана на явлениях электромагнитной индукции, возникновении электрических зарядов при деформации или изменении давления. Такие источники широко применяются в измерительных приборах и датчиках.
Источник постоянного электрического поля на основе термоэлектрического эффекта
Термоэлектрический эффект заключается в преобразовании тепловой энергии в электрическую при нагревании контакта двух разнородных проводников. Устройство, использующее этот эффект, называется термопарой. Она может служить источником постоянного электрического поля.
Химические источники тока преобразуют энергию, выделяющуюся при химических реакциях, в электрическую. К ним относятся гальванические элементы и аккумуляторы. Принцип их действия основан на протекании окислительно-восстановительных реакций с участием электролита и электродов из разных металлов или сплавов.
Индикаторы электрического поля
Для измерения параметров и визуализации электрических полей используются специальные индикаторы поля. Это могут быть как простейшие установки с легкой металлической стружкой или пыльцой, так и сложные электронные датчики напряженности и потенциала.
Наибольшее распространение в промышленности получили емкостные и индуктивные индикаторы. Их принцип действия основан на регистрации изменений емкости или индуктивности датчика в электрическом поле.
Вихревое поле и его источники
Вихревое поле представляет собой особую разновидность электромагнитного поля, вектор магнитной индукции которого имеет только азимутальную составляющую. Такое поле создается специальными катушками, через которые протекает переменный ток.
Источником вихревого электромагнитного излучения может служить рамочная катушка с током, расположенная перпендикулярно оси вращения. При ее вращении вокруг оси возникает азимутальная составляющая магнитной индукции.
Фотоэлектрический эффект как источник электрического поля
Фотоэлектрический эффект заключается в испускании электронов веществом под действием света. Это явление лежит в основе работы фотоэлементов - полупроводниковых приборов, генерирующих электрический ток при освещении.
Конструктивно фотоэлемент состоит из двух слоев полупроводника с разным типом проводимости. При поглощении кванта света электрон переходит в проводящую зону, создавая разность потенциалов на границе слоев. Таким образом формируется фото-ЭДС - источник электрического поля.
Солнечные батареи
Наиболее известным применением фотоэффекта служат солнечные батареи - устройства для преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. В состав солнечной батареи входитт множество последовательно-параллельно соединенных фотоэлементов, заключенных в общий корпус.
Главными достоинствами солнечных батарей являются экологичность и возможность автономного энергоснабжения различных устройств. Основной недостаток - зависимость выработки энергии от времени суток и погодных условий.
Принцип работы лазера
Лазер представляет собой оптический квантовый генератор, создающий когерентное электромагнитное излучение в оптическом диапазоне. Его работа основана на испускании фотонов атомами или молекулами при стимулированных переходах с более высоких энергетических уровней на более низкие.
Для создания инверсной населенности уровней активной среды лазера, необходимой для усиления излучения и генерации, используется накачка от внешнего источника энергии - электрического, оптического или химического.
Применение лазеров
Благодаря уникальным свойствам лазерного излучения, таким как монохроматичность, когерентность, направленность, лазеры нашли широчайшее применение в науке, технике и медицине. Они используются для обработки материалов, передачи информации, в локации, голографии, офтальмологии и многих других областях.
Безопасность при работе с лазерами
Несмотря на очевидную пользу, лазеры могут представлять серьезную опасность. Прямое попадание лазерного луча в глаза чревато ожогами сетчатки и даже слепотой. Поэтому при эксплуатации лазеров обязательно соблюдение мер предосторожности и использование защитных очков.