câmp electric

1. Conceptul de câmp electric. Caracteristicile de putere și energie a câmpului electric

Câmpul electric - acest tip de materie este formată în jurul organelor încărcate, prin care acestea interacționează unele cu altele.

Puterea interacțiunii a două sarcini punctiforme este determinată de legea lui Coulomb: F = k · q1 · q2 / R2. În acest caz, în cazul în care organismele încărcate au aceeași sarcină, ei se resping reciproc și în sens opus - a atras. organism însărcinat să interacționeze unul cu altul prin câmpurile lor electrice.

Există următoarele caracteristici ale câmpului electric:

1. Caracteristicile de putere - rezistența câmpului electric - o forță care acționează pe o unitate de încărcare plasată într-un câmp electric dat: E = F / q. Măsurată în [V / m]

Dacă un anumit punct de încărcare Q formează câmp electric, intensitatea câmpului la un punct situat la o distanță r de taxa se calculează folosind formula: E = Q / (4πε0εr2) unde Q- taxa formarea acestui câmp electric; ε0 = 8, 84 * 10-12 F / m-electric constant; permeabilitate electrică ε- a mediului în care este formată din domeniu; r - distanta de la un punct de încărcare până la un punct în care este cercetat intensitatea.

Pentru direcția de tensiune luând direcția forței care acționează pe o sarcină pozitivă.

Magnitudinea intensității câmpului electric este reprezentat grafic ca linii de putere - liniile de direcție tangențială la care, în orice punct coincide cu direcția câmpului electric. Cele mai multe linii - cu atât mai mare tensiune.

2. Caracteristica de putere a câmpului electric - potențial.

La fiecare punct de pe câmpul electric se face la domeniul de încărcare acționează anumită forță. Atunci când se deplasează într-o lucrare de încărcare câmp electric care urmează să fie efectuate. La fiecare punct al potențialului câmpului electric va fi caracterizat.

câmp de potențial la un anumit punct - este energia potențială a câmpului electric în acest moment, pe unitate este plasat la acest punct de încărcare: φ = Wp / q [în] potențialul câmpului descrie abilitatea de a lucra, ceea ce face câmpul electric sau care este realizat dintr-un câmp electric atunci când se deplasează această taxă la un punct cu un potențial diferit: δφ = a / q.

Având în vedere că operația va fi efectuată numai atunci când se deplasează între punctele de încărcare cu potențiale inegale, are o semnificație fizică numai diferența de potențial sau tensiunea între două puncte ale câmpului electric. Prin urmare, atunci când este utilizat termenul „capacitatea“ se înțelege diferența de potențial dintre acest punct al cărui potențial este măsurat, și un punct infinit îndepărtat în spațiu a cărui potențial poate fi presupus a fi 0. În acest caz, potențialul într-un punct dat al câmpului, creat de o taxa de punct Q, este egal cu: φ = Q / (4πε0εγ) și. În cazul în care potențialul creat de un număr mare de taxe, atunci φ = Σφ.

Numai diferența de potențial poate fi măsurat cu un voltmetru. Se crede că câmpul electric - un gradient de potențial negativ.

2. Efectul câmpului electric asupra substanței

Acțiunea câmpului electric pentru diferite substanțe în mod diferit, în funcție de structura lor internă. Prin această acțiune a tuturor substanțelor sunt împărțite în:

- conductori electrici

- izolatori sau dielectrici.

Conductorii sunt caracterizate prin aceea că ea de câmpul electric format de curent electric - mișcarea dirijată a particulelor încărcate. Acest lucru se datorează faptului că există sarcini libere în conductoarele. Există un fel de conductori (metale, unde există electroni liberi) și 2 tip (soluții de electroliți, în care taxele libere sunt încărcate pozitiv ioni - cationi și ioni încărcați negativ - anioni).

Semiconductori la temperatura obișnuită au puține sarcini libere. Mai mult decât atât, atunci când electronii în semiconductori devin libere, în locul lor este format dintr-o gaură - un exces de sarcină pozitivă. Prin urmare, purtătorii de sarcină în semiconductori sunt electroni și găuri.

Dielectricilor nu sunt purtatori de sarcina, astfel încât câmpul electric de curent electric nu se produce în ele, ci un fenomen numit polarizare dielectrică - achiziționarea de polaritate dielectric prin separarea in sarcini pozitive și negative de câmpul electric. Polarizarea există în 3 variante: orientare, electroni și ioni.

Aceste diferențe sunt bine descrise de teoria banda de solide, sau teoria cuantică a spectrului energetic al electronilor în cristal. Conform teoriei în cristal, și sunt interzise banda de energie permisă pentru electroni. Banda inferioară este complet umplut cu electroni. Proprietățile fizice ale cristalelor determinate zonele superioare care conțin electroni. Dacă între zona superioară și zona următoare de permise de bandă îngustă interzise (gama de energie este mic), atunci substanța este un conductor, iar în cazul în care banda interzisă de mare - dielectric.

3. Curentul electric

Caracteristica principală a curentului electric este o intensitate curent - cantitatea de încărcare intersectându secțiune transversală pe unitatea de timp. ICP = δq / sau curent instantaneu AT. I = dq / dt. Unitatea de măsurare a curentului este Amperi (A). 1 amper - amperaj atunci când o singură încărcare Coulomb a trecut prin secțiunea transversală de o secundă. folosesc adesea miliamperi (mA). 1 = 0 mA, 001 A. De obicei, pentru a trimite un curent electric în conductorul primește direcția de deplasare a sarcinilor pozitive.

O altă cantitate care caracterizează curentul electric, o densitate de curent - intensitatea curentului pe unitatea de suprafață a conductorului. Măsurată în Amperi pe metru pătrat: J = I / S.

- DC - curent electric a cărui parametri (puterea și direcția) nu se modifică în timp. Sursele sunt generatoare de curent continuu, care să mențină o diferență de potențial constant peste capetele conductorului.

- Curent alternativ - curent electric a cărui parametri variază în timp, în funcție de o condiție sine sau cosinus. Curentul electric este trecut la consumator electric este o undă sinusoidală cu frecvența de 50 Hz: I = Imax · cos (ωt + φ0).

Legea de bază care descrie curentul electric direct este legea lui Ohm: intensitatea curentului într-un conductor este direct proporțională cu diferența de potențial dintre capetele sale, sau tensiunea electrica (U): I = U / R

Magnitudinea R se numește rezistență electrică. Rezistența este o proprietate de conductoare a preveni trecerea curentului prin acesta electric, în care energia electrică este transformată în energie termică. Rezistența se produce datorită coliziunii particulelor încărcate (purtători) din structurile interne ale conductorului - atomilor și moleculelor. Unitatea de rezistență este ohmi. Inversul rezistenței conductivitate electrică este denumită (D).

Pentru mai multe substanțe, rezistența este constantă, independent de puterea actuală. Rezistenta conductorului este o funcție de mărimea, forma, structura și temperatura. Magnitudinea firului de rezistență: R = ρ (1 / S) (5)

unde l - lungimea conductorului, S - aria secțiunii transversale a conductorului. proporționalitate directă constantă este numită rezistivitate ρ [ohm · m]. Depinde numai de proprietățile substanței și temperatura. Reciproca rezistivității este conductivitate (γ) [ohm-1 m-1].

Pe baza conductivității caracterizează substanțele de proprietate pentru a conduce curentul electric. Bune conductoare de curent au o conductivitate ridicată. Izolatori sau dielectrici au o conductivitate scăzută. Semiconductors au o conductivitate intermediară. Folosind conductivitatea ca o caracteristică a substanței, poate fi reprezentată prin legea lui Ohm într-o altă formă: J = γE.

Din formula rezultă că densitatea de curent într-un conductor este direct proporțională cu câmpul electric (E), generarea acestui curent, iar conductivitatea electrică a materialului conductor (γ).

Conductivitate de electroliți și țesuturi biologice

Densitatea de curent în soluția de electrolit este determinată printr-o sarcină electrică de ioni pozitivi și negativi, concentrațiile acestora și viteze în domeniul electric: J = q + n + v + + q-n-v.

Dacă se presupune că concentrația și cantitatea de sarcină electrică de ioni pozitivi și negativi sunt egale, J = qn (v + v -) (8)

Viteza v ionilor este proporțională cu câmpul electric E și u depinde de mobilitatea ionilor, care la rândul său este o funcție de mărimea, gradul de hidratare a ionilor, viscozitate solvent:

Apoi, J = qn (u + + u-) · E (10).

Această expresie este legea lui Ohm pentru soluții electrolitice.

Deși rezistența țesutului biologic la curent electric constant este mare, iar pe conductivitatea țesutului biologic în apropierea dielectricilor, pentru a explica diferențele de conductivitate electrică de țesuturi diferite, ele sunt considerate ca două conductoare tip în care purtătorii de sarcină sunt ionii.

țesuturi biologice nu sunt semnificativ diferite în compoziția lor ionică, dar diferă în ceea ce privește mișcarea de ioni. Prin urmare, țesut eterogen în ceea ce privește proprietățile lor electrice. membrana celulara previne deplasarea ionilor. Rezistența lor electrică este mai mare. Sângele, limfa, lichidul cefalorahidian caracterizat prin rezistență scăzută la curent electric. organe interne, care conțin o cantitate mare de apă (mușchi, ficat, rinichi, etc.), de asemenea, au o rezistență relativ scăzută. Dar rezistența țesuturilor, cum ar fi piele și oase, este foarte mare. Un curent electric constant nu pătrunde prin pielea uscată. Acesta este distribuit în corpul uman, în principal, de-a lungul sânge și limfatice și vasele prin muschi.

Motivul pentru rezistența ridicată a țesutului biologic la curent electric constant - disponibilitatea capacității statice datorită proprietăților izolatoare ale membranelor și fenomene de polarizare care apar în celule, care au ca rezultat forța electromotoare contra, care împiedică trecerea curentului prin țesut. Mai mult decât atât, intensitatea curentului la valori scăzute nu trece prin țesătura datorită influenței forței electromotoare, iar la mare - există dezintegrare (distrugerea) a structurilor celulare, cu rezultatul că rezistența scade, dar studii suplimentare sunt lipsite de sens.

Polarizare - separarea sarcinilor pozitive și negative. mulți cred că fenomenul de polarizare datorită prezenței membrane semipermeabile. Sub influența câmpului electric ionii încep să se miște, dar nu poate pătrunde prin membrană, rezultând suprafața membranei interioare are loc o separare de încărcare. In interiorul celulei se formează câmpul de polarizare. De îndată ce compensează ionii de intensitate a câmpului extern se oprește în mișcare. Prin urmare, pe partea exterioară a membranei sunt concentrate particule încărcate oppositely.

Altele, tratarea celulelor ca un fenomen de polarizare dielectric stratificat este considerat ca urmare a eterogenității elementelor celulare ale conductivității electrice, și este asociat cu moleculele de polarizare dipol (orientarea dipolilor de-a lungul liniilor de câmp).

Curent este utilizat în practica medicală, pentru a pune în aplicare două metode - galvanizare si iontoforeza.

Galvanizarea - metodă de terapie bazată pe aplicarea unui curent electric constant. Metoda este numit după medicul italian și om de știință Luigi Galvani - fondatorul studiului curenților electrici generate de țesuturi biologice.

Metoda de galvanizare constă în trecerea unui curent prin regiune organism specific. Tensiunea ar trebui să fie nu mai mult de 50-80 de volți. Sub electrozii din garnitură metalică plasată flanel umedă. Amploarea amperaj poate varia de la câteva miliamperi la 50 de miliamperi. Cu toate acestea, densitatea de curent nu trebuie să depășească 0, 1 miliamperi pe centimetru pătrat. Curentul nu ar trebui să deranjeze pacientul.

ionii anorganici si ionii de apa se deplaseze sub influența unui câmp electric. Mobilitatea ionilor organici este semnificativ mai mică decât ion anorganic. Cele mai mari schimbări în galvanizare apar în membranele celulare. Ele constau în realizarea proceselor electrochimice, care alterează polarizarea membranei și afectează permeabilitatea membranei și amploarea potențialului transmembranar. Aceste procese stimulează receptorii induce diferite răspunsuri fiziologice și modificări în metabolismul. Electroplacarea este utilizat în principal pentru tratamentul bolilor sistemice ale sistemului nervos.

Galvanising de obicei însoțită de ionoforeză. În această metodă, un curent electric constant este folosit pentru a introduce medicamente în țesuturi în scopuri terapeutice. Un număr mare de medicamente sunt capabile să disocieze în ioni pozitivi și negativi în soluții apoase. Printre astfel de medicamente: sare, antibiotice, anestezice locale, alcaloizi, și multe altele. Câmpul electric determină deplasarea lor: ioni pozitivi (cationi) la electrodul negativ (catod) și vice-versa. Sub influența câmpului electric medicament poate fi absorbit prin piele intactă. Principalele căi ale ionilor penetrează prin piele, sunt canale de glande sudoripare. Cele mai multe dintre ionii pătrunde prin spațiul intercelular, mai puțin - în celulă. Medicamentele sunt concentrate în principal în piele și țesutul subcutanat și formează un depozit. Concentrația locală de medicamente într-un depozit poate fi relativ mare. De acolo, medicamentul este absorbit lent în fluxul sanguin, ajutând pentru a prelungi efectul terapeutic.

Curent alternativ. impedanță

Circuit electric includ AC principalele componente electrice, cum ar fi rezistențe, condensatori și inductoare. Proprietățile lor specifice - rezistență, capacitate și inductanță.

Capacitate. Dacă două conductoare (plăci metalice) separate de izolație în mijloc, ei sunt capabili să acumuleze o anumită cantitate de sarcină electrică. O cantitate egală cu raportul dintre sarcina totală acumulată pe plăci, o diferență de potențial între plăcile se numește capacitatea (măsurată în Farazi (F): C = q / U (13).

Inductanță. Inductanța L este legat de prezența câmpului magnetic în jurul firului sau bobina prin care un curent electric. Câmpul magnetic alternativ generează EMF (forță electromotoare) de auto-inductanță, care împiedică schimbarea curentului în conductorul:

ε = - L · dl / dt (14) unde ε - forța electromotoare dl / dt - rata instantanee de variație a curentului, L - inductanța care depinde de geometria circuitului și proprietățile magnetice ale materialului conductor și mediul. Inductance se măsoară în Henry (H).

Reactanța (sau reactanță). Am menționat mai devreme că un circuit electric este proprietatea de rezistență a preveni trecerea curentului electric prin ele și că energia electrică transformată în căldură, astfel. Reactanța - măsură variabilă a rezistenței la curent electric. Reactanța asociată cu capacitatea și inductanța unor părți ale circuitului. El nu se transformă energia electrică în energie termică. Reactanța este prezent în plus față de rezistență atunci când se trece prin conductor un curent alternativ. Când curentul electric constant care curge în circuit, acesta este supus numai o rezistență activă, dar nu reactanței. Reactanță este de două tipuri: inductiv și capacitiv.

XC capacitiv reactanță este reciproc produs unghiular frecvență (ciclic) a curentului și capacitatea pieselor de circuit: XC = 1 / (ω · C) (15).

Reactanța inductivă XL este egală cu produsul dintre frecvența unghiulară a CA inductanței conductor: XL = ωL (16).

Este dovedit faptul că reactanța inductivă determină schimbarea de tensiune în circuitul înainte de schimbările actuale pe o perioadă sfert (π / 2). Acest lucru poate fi explicat prin electromotoare autoindusă previne acumularea de curent în circuit.

Pe de altă parte, reactanța capacitivă determină schimbarea de tensiune în circuitul din spatele modificărilor curent cu un ciclu sfert (π / 2). Fig. 3 ilustrează acest fenomen.

Prin urmare, reactanța totală X reprezintă o diferență de reactanță inductivă și capacitivă: X = XL - XC.

Pentru a rezuma rezistența generală și reactanță, care împiedică trecerea curentului alternativ în circuit, obținem o valoare care se numește impedanță Z - impedanta: