18.7: Wafanyabiashara na Mashamba ya Umeme katika Usawa

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Andika orodha tatu za conductor katika usawa wa umeme.
• Eleza athari za shamba la umeme kwa mashtaka ya bure katika kondakta.
• Eleza kwa nini hakuna shamba la umeme linaweza kuwepo ndani ya kondakta.
• Eleza uwanja wa umeme unaozunguka Dunia.
• Eleza kinachotokea kwenye uwanja wa umeme unaotumiwa kwa conductor isiyo ya kawaida.
• Eleza jinsi fimbo ya umeme inavyofanya kazi.
• Eleza jinsi gari la chuma linaweza kulinda abiria ndani kutoka kwenye mashamba hatari ya umeme yanayosababishwa na mstari ulioanguka unaogusa gari.

Wafanyabiashara wana mashtaka ya bure ambayo huenda kwa urahisi. Wakati malipo ya ziada yanawekwa kwenye kondakta au conductor huwekwa kwenye uwanja wa umeme wa tuli, mashtaka katika kondakta hujibu haraka kufikia hali ya kutosha inayoitwa usawa wa umeme.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) kinaonyesha athari za shamba la umeme kwa mashtaka ya bure katika kondakta. Mashtaka ya bure huenda mpaka shamba linapingana na uso wa conductor. Hatuwezi kuwa na sehemu ya shamba inayofanana na uso katika usawa wa umeme, kwani, ikiwa kuna, ingeweza kuzalisha harakati zaidi ya malipo. Malipo mazuri ya bure yanaonyeshwa, lakini mashtaka ya bure yanaweza kuwa chanya au hasi na ni, kwa kweli, hasi katika metali. Mwendo wa malipo mazuri ni sawa na mwendo wa malipo hasi katika mwelekeo tofauti.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Wakati uwanja wa umeme\(\mathbf{E}\) unatumiwa kwa conductor, mashtaka ya bure ndani ya conductor hoja mpaka shamba ni perpendicular kwa uso. (a) Shamba la umeme ni wingi wa vector, na vipengele vyote vya sambamba na vya perpendicular. Sehemu sambamba (\(\mathbf{E}_{||}\)) ina nguvu (\(\mathbf{F}_{||}\)) kwa malipo ya bure\(q\), ambayo husababisha malipo mpaka\(\mathbf{F}=0\). (b) Shamba linalosababisha ni perpendicular kwa uso. Malipo ya bure yameletwa kwenye uso wa conductor, na kuacha nguvu za umeme katika usawa.

Kondakta iliyowekwa katika uwanja wa umeme itakuwa polarized. Kielelezo\(\PageIndex{2}\) kinaonyesha matokeo ya kuweka conductor neutral katika uwanja wa awali sare umeme. Shamba inakuwa imara karibu na kondakta lakini hupotea kabisa ndani yake.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Mfano huu unaonyesha conductor spherical katika usawa tuli na shamba awali sare umeme. Mashtaka ya bure huhamia ndani ya kondakta, kuifanya, mpaka mistari ya shamba la umeme inapingana na uso. Mstari wa shamba unamalizika kwa malipo mabaya ya ziada kwenye sehemu moja ya uso na kuanza tena kwa malipo mazuri kwa upande wa pili. Hakuna shamba la umeme lipo ndani ya kondakta, kwa kuwa mashtaka ya bure katika conductor itaendelea kusonga kwa kukabiliana na shamba lolote mpaka limefutwa.

TAHADHARI MBAYA: UWANJA WA UMEME NDANI YA CONDU

Mashtaka ya ziada yaliyowekwa kwenye conductor spherical repel na hoja mpaka wao ni sawasawa kusambazwa, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{3}\). Malipo ya ziada yanalazimika kwenye uso mpaka shamba ndani ya conductor ni sifuri. Nje ya kondakta, shamba hilo ni sawa na kama conductor ilibadilishwa na malipo ya uhakika katikati yake sawa na malipo ya ziada.

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Kuondolewa kwa pamoja kwa mashtaka ya ziada ya chanya juu ya conductor spherical huwasambaza kwa usawa juu ya uso wake. Sehemu ya umeme inayosababisha ni perpendicular kwa uso na sifuri ndani. Nje ya conductor, shamba ni sawa na ile ya malipo ya uhakika katikati sawa na malipo ya ziada.

MALI YA CONDUCTOR KATIKA USAWA WA UMEME

1. Shamba la umeme ni sifuri ndani ya kondakta.
2. Nje ya kondakta, mistari ya shamba la umeme ni perpendicular kwa uso wake, kuishia au kuanza kwa mashtaka juu ya uso.
3. Malipo yoyote ya ziada hukaa kabisa juu ya uso au nyuso za conductor.

Mali ya conductor ni sawa na hali tayari kujadiliwa na inaweza kutumika kuchambua conductor yoyote katika usawa wa umeme. Hii inaweza kusababisha baadhi ya ufahamu mpya wa kuvutia, kama ilivyoelezwa hapo chini.

Je, uwanja wa umeme sare sana unaweza kuundwaje? Fikiria mfumo wa sahani mbili za chuma na mashtaka kinyume juu yao, kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{4}\). Mali ya wasimamizi katika usawa wa umeme yanaonyesha kwamba uwanja wa umeme kati ya sahani itakuwa sare katika nguvu na mwelekeo. Isipokuwa karibu na kando, mashtaka ya ziada yanajisambaza wenyewe kwa usawa, huzalisha mistari ya shamba ambayo ni sawa na spaced (hivyo sare katika nguvu) na perpendicular kwa nyuso (hivyo sare katika mwelekeo, tangu sahani ni gorofa). Madhara ya makali ni muhimu sana wakati sahani ziko karibu pamoja.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Sahani mbili za chuma na sawa, lakini kinyume, mashtaka ya ziada. Shamba kati yao ni sare katika nguvu na mwelekeo isipokuwa karibu na kando. Matumizi moja ya shamba hilo ni kuzalisha kasi ya sare ya mashtaka kati ya sahani, kama vile katika bunduki ya elektroni ya tube ya TV.

Dunia Umeme shamba

Shamba la karibu la umeme la karibu la 150 N/C, lililoelekezwa chini, linazunguka Dunia, na ukubwa unaongezeka kidogo tunapopata karibu na uso. Ni nini kinachosababisha shamba la umeme? Kwenye takriban kilomita 100 juu ya uso wa Dunia tuna safu ya chembe za kushtakiwa, inayoitwa ionosphere. Ionosphere inawajibika kwa matukio mbalimbali ikiwa ni pamoja na uwanja wa umeme unaozunguka Dunia. Katika hali ya hewa ya haki ionosphere ni chanya na Dunia kwa kiasi kikubwa hasi, kudumisha uwanja wa umeme (Kielelezo\(\PageIndex{5a}\)).

Katika hali ya dhoruba mawingu huunda na mashamba ya umeme yaliyowekwa ndani yanaweza kuwa kubwa na kuachwa katika mwelekeo (Kielelezo\(\PageIndex{5b}\)). Mgawanyo halisi wa malipo hutegemea hali ya ndani, na tofauti za Kielelezo\(\PageIndex{5b}\) zinawezekana.

Ikiwa uwanja wa umeme ni wa kutosha, mali ya kuhami ya nyenzo zinazozunguka huvunja na inakuwa inaendesha. Kwa hewa hii hutokea karibu\(3\times 10^{6}\) N/C. hewa ionizes ions na elektroni recombine, na sisi kupata kutokwa katika mfumo wa cheche umeme na kutokwa corona.

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): uwanja wa umeme wa dunia. (a) Fair hali ya hewa shamba. Dunia na ionosphere (safu ya chembe za kushtakiwa) ni waendeshaji wote. Wao huzalisha shamba la umeme sare la karibu 150 N/C. (mikopo: D. H. mbuga) (b) mashamba ya dhoruba. Katika uwepo wa mawingu ya dhoruba, mashamba ya umeme ya ndani yanaweza kuwa kubwa. Katika mashamba ya juu sana, mali ya kuhami ya hewa huvunja na umeme unaweza kutokea. (mikopo: Jan-Joost Verhoef)

Mashamba ya Umeme kwenye nyuso zisizofaa

Hadi sasa tumezingatia mashtaka ya ziada kwenye uso wa laini, ulinganifu wa conductor. Nini kinatokea ikiwa conductor ana pembe kali au inaelezwa? Mashtaka ya ziada juu ya conductor yasiyo ya kawaida hujilimbikizia kwenye pointi kali zaidi. Zaidi ya hayo, malipo ya ziada yanaweza kuhamia au kuzima kondakta kwenye pointi kali zaidi.

Kuona jinsi na kwa nini hii inatokea, fikiria conductor kushtakiwa katika Kielelezo\(\PageIndex{6}\). Repulsion ya umeme ya mashtaka kama hayo ni bora zaidi katika kuwahamisha mbali juu ya uso gorofa, na hivyo wao kuwa angalau kujilimbikizia huko. Hii ni kwa sababu nguvu kati ya jozi zinazofanana za mashtaka katika mwisho wa kondakta ni sawa, lakini vipengele vya nguvu vinavyolingana na nyuso ni tofauti. Sehemu inayofanana na uso ni kubwa juu ya uso wa gorofa na, kwa hiyo, ufanisi zaidi katika kusonga malipo.

Athari sawa huzalishwa kwenye kondakta na uwanja wa umeme wa nje, kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{6c}\). Kwa kuwa mistari ya shamba inapaswa kuwa perpendicular kwa uso, zaidi yao ni kujilimbikizia sehemu nyingi curved.

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Malipo ya ziada juu ya conductor yasiyo ya kawaida inakuwa zaidi kujilimbikizia katika eneo la curvature kubwa. (a) Vikosi kati ya jozi zinazofanana za mashtaka katika mwisho wa kondakta ni sawa, lakini vipengele vya vikosi vinavyolingana na uso ni tofauti. Ni\(\mathbf{F}_{||}\) kwamba hatua mashtaka mbali mara baada ya kufikiwa uso. (b)\(\mathbf{F}_{||}\) ni ndogo zaidi katika mwisho ulioelekezwa zaidi, mashtaka yanaachwa karibu pamoja, huzalisha uwanja wa umeme umeonyeshwa. (c) conductor uncharged katika uwanja wa awali sare umeme ni polarized, na malipo ya kujilimbikizia zaidi katika mwisho wake alisema.

Matumizi ya Wafanyabiashara

Juu ya uso mkali sana ikiwa, kama inavyoonekana katika Kielelezo\(\PageIndex{7}\), mashtaka ni hivyo kujilimbikizia katika hatua ambayo kusababisha uwanja umeme inaweza kuwa kubwa ya kutosha kuondoa yao kutoka uso. Hii inaweza kuwa na manufaa.

Fimbo za umeme hufanya kazi bora wakati zinaelekezwa zaidi. Mashtaka makubwa yaliyoundwa katika mawingu ya dhoruba husababisha malipo kinyume juu ya jengo ambalo linaweza kusababisha bolt ya umeme ikipiga jengo hilo. Malipo yanayosababishwa yanatoka mara kwa mara na fimbo ya umeme, kuzuia mgomo mkubwa wa umeme.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Kondakta aliyesema sana ana mkusanyiko mkubwa wa malipo wakati huo. Shamba la umeme ni nguvu sana wakati huo na linaweza kutumia nguvu kubwa ya kutosha kuhamisha malipo juu au mbali na conductor. Viboko vya umeme hutumiwa kuzuia kujengwa kwa mashtaka makubwa ya ziada juu ya miundo na, kwa hiyo, ni alisema.

Bila shaka, wakati mwingine tunataka kuzuia uhamisho wa malipo badala ya kuwezesha. Katika kesi hiyo, conductor inapaswa kuwa laini sana na awe na radius kubwa ya curvature iwezekanavyo. (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)) Nyuso za laini hutumiwa kwenye mistari ya maambukizi ya juu-voltage, kwa mfano, ili kuepuka kuvuja kwa malipo ndani ya hewa.

Kifaa kingine kinachotumia baadhi ya kanuni hizi ni ngome ya Faraday. Hii ni ngao ya chuma ambayo inafunga kiasi. Mashtaka yote ya umeme yatakaa kwenye uso wa nje wa ngao hii, na hakutakuwa na uwanja wa umeme ndani. Ngome ya Faraday hutumiwa kuzuia mashamba ya umeme yaliyopotea katika mazingira kuingilia kati na vipimo nyeti, kama vile ishara za umeme ndani ya seli ya neva.

Wakati wa dhoruba za umeme ikiwa unaendesha gari, ni bora kukaa ndani ya gari kama mwili wake wa chuma hufanya kama ngome ya Faraday yenye shamba la umeme la sifuri ndani. Kama katika maeneo ya jirani ya mgomo umeme, athari yake ni waliona nje ya gari na ndani ni unaffected, mradi wewe kubaki kabisa ndani. Hii pia ni kweli ikiwa waya wa umeme (“moto”) ulivunjika (katika dhoruba au ajali) na akaanguka kwenye gari lako.

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): (a) Fimbo ya umeme inaelezwa ili kuwezesha uhamisho wa malipo. (mikopo: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Hii jenereta ya Van de Graaff ina uso laini na radius kubwa ya curvature ili kuzuia uhamisho wa malipo na kuruhusu voltage kubwa kuzalishwa. Kuondolewa kwa pamoja kwa mashtaka kama hayo ni dhahiri katika nywele za mtu wakati unagusa nyanja ya chuma. (mikopo: Jon 'ShakataGanai' Davis/Wikimedia Commons).

Muhtasari

• Kondakta inaruhusu mashtaka ya bure kuhamia ndani yake.
• Majeshi ya umeme karibu na conductor yatasababisha mashtaka ya bure kuzunguka ndani ya kondakta mpaka usawa wa tuli ufikia.
• Malipo yoyote ya ziada yatakusanya kando ya uso wa conductor.
• Wafanyabiashara wenye pembe kali au pointi watakusanya malipo zaidi katika pointi hizo.
• Fimbo ya umeme ni conductor na mwisho wa mwisho ambao hukusanya malipo ya ziada kwenye jengo linalosababishwa na dhoruba ya umeme na kuruhusu kurudi ndani ya hewa.
• Dhoruba za umeme husababisha wakati shamba la umeme la uso wa Dunia katika maeneo fulani linashtakiwa zaidi, kutokana na mabadiliko katika athari ya kuhami ya hewa.
• Ngome ya Faraday hufanya kama ngao karibu na kitu, kuzuia malipo ya umeme kuingilia ndani.

faharasa

kondakta

kitu na mali kwamba kuruhusu mashtaka ya hoja juu ya uhuru ndani yake

malipo ya bure

malipo ya umeme (ama chanya au hasi) ambayo inaweza kuhamia tofauti na molekuli yake ya msingi

usawa wa umeme

hali ya usawa wa umeme ambayo mashtaka yote ya bure ya umeme yameacha kusonga

yenye migawanyiko

hali ambayo mashtaka chanya na hasi ndani ya kitu wamekusanywa katika maeneo tofauti

ionosphere

safu ya chembe za kushtakiwa ziko karibu kilomita 100 juu ya uso wa Dunia, ambayo inawajibika kwa matukio mbalimbali ikiwa ni pamoja na uwanja wa umeme unaozunguka Dunia

Faraday ngome

ngao ya chuma, ambayo inazuia malipo ya umeme kuingia ndani ya uso wake;