Elektrické pole

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 5. května 2021; kontroly vyžadují 29 úprav .

Elektrické pole je zvláštní druh hmoty, která obklopuje každý elektrický náboj a působí silou na všechny ostatní náboje, přitahuje je nebo odpuzuje. [1] [2] Elektrická pole vznikají z elektrických nábojů nebo časově proměnných magnetických polí .

Elektrická a magnetická pole jsou považována za projevy obecnější reality - elektromagnetického pole , zodpovědného za jednu ze základních interakcí přírody (spolu s gravitační, silnou a slabou).

Elektrická pole jsou důležitá v mnoha oblastech fyziky a používají se prakticky v elektrotechnice. Například v atomové fyzice a chemii je elektrické pole silou, která drží atomové jádro a elektrony pohromadě v atomech. Tato síla je zodpovědná za chemické vazby mezi atomy, které tvoří molekuly .

Mezi další aplikace elektrických polí patří detekce pohybu pomocí kapacitních technik a rostoucí počet diagnostických a terapeutických lékařských aplikací.

Elektrické pole je matematicky definováno jako vektorové pole , které se vztahuje ke každému bodu v prostoru silou (elektrostatickou nebo Coulombovou ) na jednotkový náboj aplikovanou na nekonečně malý pozitivní testovací náboj v klidu v tomto bodě. [3] [4] [5] Jednotkou SI elektrického pole je volt na metr (V/m) nebo ekvivalentně newton na coulomb (N/C).

Popis

Elektrické pole je definováno v každém bodě prostoru jako síla (na jednotku náboje), kterou působí mizející malý kladný testovací náboj umístěný v tomto bodě. [6] :469–70 Protože elektrické pole je definováno jako síla a síla je vektor (to znamená, že má velikost i směr), vyplývá z toho, že elektrické pole bude vektorové pole . :469–70 Vektorová pole tohoto druhu se někdy nazývají silová pole . Elektrické pole působí mezi dvěma náboji stejným způsobem, jako působí gravitační pole mezi dvěma hmotami umístěnými v určité vzdálenosti, protože obě dodržují zákon o inverzní čtverci . [7] Coulombův zákon říká, že pro stacionární náboje se elektrické pole mění s nábojem zdroje a mění se nepřímo s druhou mocninou vzdálenosti od zdroje. To znamená, že když se náboj zdroje zdvojnásobí, elektrické pole se zdvojnásobí, a pokud se zkušební náboj posune dvakrát tak daleko od zdroje, pak pole v tomto bodě bude mít pouze čtvrtinu své původní síly.

Elektrické pole lze vizualizovat pomocí sady čar, jejichž směr je stejný jako směr pole v tomto bodě. Tento koncept byl představen Michaelem Faradayem [8] , jehož termín „čáry síly“ se stále používá. Tato interpretace je užitečná v tom, že intenzita elektrického pole je úměrná hustotě vedení. [9] Siločáry jsou dráhy, po kterých by se ubíral bodový kladný náboj o nekonečně malé hmotnosti, když je nucen se pohybovat v oblasti pole, podobně jako dráhy , které sledují testovací hmoty v gravitačním poli. Stacionární siločáry mají několik důležitých vlastností: siločáry začínají kladnými náboji a končí zápornými náboji, vstupují do všech dobrých vodičů v pravém úhlu a nikdy se nekříží ani nezkratují. Siločáry jsou vhodné pro schematickou prezentaci; ale pole ve skutečnosti prostupuje celým prostorem mezi řádky. Můžete nakreslit více nebo méně čar v závislosti na přesnosti, s jakou chcete pole reprezentovat. Studium elektrických polí vytvořených stacionárními náboji se nazývá elektrostatika .

Faradayův zákon popisuje vztah mezi časově proměnnými magnetickými a elektrickými poli. Jedním ze způsobů, jak vyjádřit Faradayův zákon, je, že zvlnění elektrického pole se rovná záporné parciální derivaci magnetického pole s ohledem na čas. [10] :327 V nepřítomnosti časově proměnlivého magnetického pole je elektrické pole považováno za potenciální (tj. bez rotoru). :24,90–91 To znamená, že existují dva druhy elektrických polí: elektrostatická pole a pole vznikající z časově proměnných magnetických polí. :305–307 Statické elektrické pole je považováno za použití elektrostatiky, ale s časově proměnným magnetickým polem je třeba uvažovat elektromagnetické pole . Studium časově proměnných magnetických a elektrických polí se nazývá elektrodynamika .

Matematická formulace

Elektrická pole jsou způsobena elektrickými náboji popsanými Gaussovým zákonem [11] a časově proměnnými magnetickými poli popsanými Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce . [12] Tyto zákony jsou dostatečné pro určení chování elektrického pole ve vakuu. Protože je však magnetické pole popsáno jako funkce elektrického pole, pak rovnice pro obě pole spolu souvisí a společně tvoří Maxwellovy rovnice, které popisují obě pole jako funkci nábojů a proudů .

Elektrostatika

V konkrétním případě stacionárního stavu (stacionární náboje a proudy) vymizí indukční Maxwell-Faradayův efekt. Výsledné dvě rovnice (Gaussův zákon a Faradayův zákon bez induktivního členu ) dohromady jsou ekvivalentní Coulombovu zákonu , který říká, že částice s elektrickým nábojem v bodě (vektor poloměru) působí silou na částici. s nábojem v bodě : [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}}{\klobouk {\boldsymbol {r}}}_{1,0}

kde je jednotkový vektor ve směru od bodu k bodu a ε 0 je elektrická konstanta (také známá jako "absolutní permitivita volného prostoru") s jednotkami C 2 m −2 N −1 . Pokud náboje nejsou ve vakuu, ale v homogenním dielektriku, pak je nahrazen permitivitou prostředí . ${\boldsymbol {r}}_{1,0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $\varepsilon_{0}$ $\varepsilon _{0}\varepsilon$

Když náboje a mají stejná znaménka, je tato síla kladná a směřuje pryč od druhého náboje, to znamená, že se částice vzájemně odpuzují. Když jsou náboje opačného znaménka, je síla záporná, což naznačuje, že částice jsou přitahovány. Pro zjednodušení výpočtu Coulombovy síly pro jakýkoli náboj v bodě lze tento výraz rozdělit ponecháním výrazu, který závisí pouze na druhém náboji ( zdrojovém náboji ) [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}

Toto je elektrické pole v bodě vytvořené bodovým nábojem . Je to vektorová funkce , která se rovná Coulombově síle na jednotkový náboj, kterou zažívá kladný bodový náboj v bodě . Protože tento vzorec udává velikost a směr elektrického pole v libovolném bodě prostoru (kromě umístění samotného náboje , kde se stává nekonečným), pak určuje vektorové pole . Z výše uvedeného vzorce je patrné, že elektrické pole vytvořené bodovým nábojem je všude nasměrováno pryč od náboje, pokud je kladné, a směrem k náboji, pokud je záporné, a jeho velikost se zmenšuje úměrně druhé mocnině náboje. vzdálenost od náboje. ${\boldsymbol {x}}_{0}$ $q_{1}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{0}$ ${\boldsymbol {x}}_{1}$

Coulombova síla působící na náboj s hodnotou v libovolném bodě prostoru je rovna součinu náboje a elektrického pole v tomto bodě. $q$

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

Jednotky Sie elektrického pole jsou newton na coulomb (N/C) nebo volt na metr (V/m); v základních jednotkách SI je kg⋅m⋅s −3 ⋅A −1.

Princip superpozice

Kvůli linearitě Maxwellových rovnic elektrická pole splňují princip superpozice , který říká, že celkové elektrické pole v bodě z nábojů rozmístěných v prostoru se rovná vektorovému součtu elektrických polí vytvořených v tomto bodě jednotlivými náboji. Tento princip je užitečný při výpočtu pole vytvořeného více bodovými náboji. Pokud jsou náboje fixovány v bodech , pak při absenci proudů princip superpozice říká, že výsledné pole je součtem polí generovaných každou částicí a je popsáno Coulombovým zákonem: ${\displaystyle q_{1},q_{2},...,q_{n))$ ${\displaystyle \mathbf {x} _{1},\mathbf {x} _{2},...\mathbf {x} _{n))$

{\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} }{\klobouk {\boldsymbol {r}}}_{1}+{1 \over 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{2} \over ({\boldsymbol {x}}_{2} -{\boldsymbol {x}})^{2}}{\klobouček {\boldsymbol {r}}}_{2}+{1 \přes 4\pi \varepsilon _{0}}{q_{3} \ přes ({\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}

kde je jednotkový vektor nasměrovaný z bodu do bodu . ${\boldsymbol {{\hat {r}}_{k}}}$ ${\boldsymbol {x}}_{k}$ ${\tučný symbol {x}}$

Plynulá distribuce náboje

Princip superpozice umožňuje vypočítat elektrické pole ze spojitého rozložení náboje (kde je hustota náboje v coulombech na metr krychlový). Vzhledem k tomu, že náboj v každém malém objemu prostoru v bodě je jako bodový náboj, lze elektrické pole v bodě vypočítat jako $\rho ({\boldsymbol {x)))$ $\rho$ $\rho ({\boldsymbol {x))')dV$ $dV$ ${\boldsymbol {x}}'$ $d{\boldsymbol {E}}({\boldsymbol {x}})$ ${\tučný symbol {x}}$

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

kde je jednotkový vektor směrovaný z do . Celkové elektrické pole se najde „sčítáním“ příspěvků ze všech malých objemů integrací přes objem distribuce náboje : ${\hat {\boldsymbol {r))}'$ ${\boldsymbol {x}}'$ ${\tučný symbol {x}}$ $\rho (x')$

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

Podobné rovnice jsou napsány pro povrchový náboj se spojitým rozložením náboje , kde je hustota náboje v coulombech na metr čtvereční $\sigma ({\boldsymbol {x)))$ $\sigma$

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

a pro lineární náboje se spojitým rozložením náboje kde je hustota náboje v coulombech na metr. $\lambda ({\boldsymbol {x)))$ $\lambda$

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

Elektrický potenciál

Pokud je systém statický, takže se magnetická pole s časem nemění, pak podle Faradayova zákona je elektrické pole potenciální . V tomto případě můžete nastavit elektrický potenciál , tedy funkci tak, že . [15] Toto je analogie gravitačního potenciálu . Rozdíl mezi elektrickým potenciálem ve dvou bodech v prostoru se nazývá potenciální rozdíl (nebo napětí) mezi těmito dvěma body. $\Phi$ $\mathbf {E} =-\nabla \Phi$

V obecném případě však nelze elektrické pole popsat nezávisle na poli magnetickém. Vzhledem k vektoru magnetického potenciálu A definovanému jako můžeme elektrický potenciál nastavit ve tvaru $\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A}$ $\phi$

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

kde je gradient elektrického potenciálu a je parciální derivace A s ohledem na čas. $\nabla \Phi$ ${\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t))$

Faradayův indukční zákon lze získat převzetím rotoru z této rovnice [16]

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

což a posteriori potvrzuje správnost zvoleného tvaru pro E.

Spojitá a diskrétní reprezentace náboje

K zápisu rovnic elektromagnetismu je lepší použít spojité funkce. Někdy je však vhodnější popsat poplatky jako samostatné body; například v některých modelech je možné popsat elektrony jako bodové zdroje, kde je hustota náboje nekonečná v nekonečně malé oblasti prostoru.

Náboj umístěný v matematicky lze popsat jako hustotu náboje , kde je použita Diracova delta funkce (ve třech rozměrech). Naopak spojité rozložení náboje lze aproximovat mnoha malými bodovými náboji. $q$ $\mathbf {r_{0}}$ $\rho (\mathbf {r} )=q\delta (\mathbf {r-r_{0)) )$

Elektrostatická pole

Elektrostatická pole jsou elektrická pole, která se s časem nemění, což se děje, když jsou náboje a proudy stacionární. V tomto případě Coulombův zákon úplně popisuje elektrické pole. [17]

Paralely mezi elektrostatickým a gravitačním polem

Coulombův zákon popisující interakci elektrických nábojů:

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

podobně jako Newtonův zákon univerzální gravitace :

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

(kde je jednotkový vektor), což naznačuje podobnost mezi elektrickým polem E a gravitačním polem g nebo jejich souvisejícími potenciály. Hmota se někdy nazývá „gravitační náboj“. [osmnáct] $\mathbf {\hat {r}} =\mathbf {r/|r|}$

Elektrostatické i gravitační síly jsou centrální , konzervativní a řídí se zákonem o inverzní kvadrátě .

Jednotná pole

Rovnoměrné pole je pole, ve kterém je elektrické pole konstantní v každém bodě. To lze zhruba znázornit umístěním dvou vodivých desek paralelně k sobě a udržováním napětí (potenciálního rozdílu) mezi nimi, ale vlivem okrajových efektů (blízko okraje rovin) dochází ke zkreslení elektrického pole. Za předpokladu nekonečných rovin je velikost elektrického pole E :

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

kde ΔV je rozdíl potenciálů mezi deskami a d je vzdálenost oddělující desky. Záporné znaménko nastane, když se kladné náboje vzájemně odpuzují, takže kladný náboj bude vystaven síle kladně nabité desky v opačném směru, než ve kterém se zvyšuje napětí. V mikro a nano aplikacích, jako jsou ty, které se týkají polovodičů, je typické elektrické pole řádově 10 6 V⋅m −1 , čehož je dosaženo aplikací napětí řádově 1 voltu mezi vodiče vzdálené od sebe 1 µm.

Elektrodynamická pole

Elektrodynamická pole jsou elektrická pole, která se v čase mění, například když jsou náboje v pohybu.

V tomto případě je magnetické pole vytvořeno v souladu s Amperovým zákonem ( s přihlédnutím k Maxwellovým rovnicím ), který spolu s dalšími Maxwellovými rovnicemi definuje magnetické pole ve tvaru $\mathbf {B}$

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

kde je proudová hustota , je magnetická permeabilita vakua a je permitivita vakua . Elektrické proudy (stejnoměrně se pohybující náboje) a parciální derivace elektrického pole v závislosti na čase přímo přispívají k vytvoření magnetického pole. ${\mathbf {J}}$ $\mu_{0}$ $\varepsilon_{0}$

Navíc platí Maxwell-Faradayova rovnice

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

Dvě ze čtyř výše napsaných Maxwellových rovnic úzce souvisí s elektrickým a magnetickým polem, což má za následek elektromagnetické pole .

Síla, kterou působí zkušební náboj v elektromagnetickém poli, a v obecném případě je určena Lorentzovým vzorcem

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

;

v elektrostatice nebo magnetostatice zůstává v tomto vzorci pouze první nebo pouze druhý člen.

Energie elektrického pole

Celková energie na jednotku objemu uložená elektromagnetickým polem je [19]

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

kde ε je permitivita prostředí, ve kterém pole existuje, jeho magnetická permeabilita a E a B jsou vektory elektrického a magnetického pole. $\mu$

Protože pole E a B spolu souvisí, bylo by chybné dělit tento výraz na „elektrické“ a „magnetické“ příspěvky. Ve stacionárním případě však již pole nejsou spřažena (viz Maxwellovy rovnice ). V tomto případě má smysl vypočítat elektrostatickou energii na jednotku objemu

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

Celková energie U uložená v elektrickém poli v daném objemu V je tedy rovna

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

Na druhé straně lze elektrostatickou energii vypočítat z hlediska hustoty náboje a elektrického potenciálu integrací přes objem systému: $\rho$ $\Phi$

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

Rovnost dvou výrazů pro elektrostatickou energii, z nichž jeden závisí na elektrickém poli E a druhý na elektrickém potenciálu , dokazuje integrální věta o energii pole, přičemž integrace se provádí přes celý nekonečný objem. [dvacet] $\Phi$

Elektrické indukční pole

Kompletní rovnice vektorových polí

V přítomnosti hmoty je užitečné rozšířit pojem elektrického pole na tři vektorová pole: [21]

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

kde P je polarizace dielektrika - objemová hustota elektrických dipólových momentů a D je pole elektrické indukce . Protože E a P jsou definovány samostatně, lze tuto rovnici použít k určení D. Fyzikální interpretace D není tak jasná jako E (skutečné pole aplikované na materiál) nebo P (indukované pole způsobené elektrickými dipóly v materiálu), ale stále slouží k pohodlnému matematickému zjednodušení, protože Maxwellovy rovnice lze zjednodušit z hlediska volných nábojů a proudů .

Poměr materiálu

Pole E a D jsou spojena dielektrickou konstantou materiálu ε . [22]

Pro lineární, homogenní, izotropní materiály jsou E a D úměrné a konstantní v celém objemu, bez závislosti na souřadnicích

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

U nehomogenních materiálů existuje souřadnicová závislost [23]

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

U anizotropních materiálů nejsou pole E a D rovnoběžná, a proto E a D spolu souvisí prostřednictvím tenzoru permitivity (pole tenzoru 2. úrovně ) ve formě složky:

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

Pro nelineární média nejsou E a D proporcionální. Materiály mohou mít různé stupně linearity, uniformity a izotropie.

Pozorování elektrického pole v každodenním životě

Aby se vytvořilo elektrické pole, je nutné vytvořit elektrický náboj . Natřete si nějaký druh dielektrika na vlnu nebo něco podobného, jako je plastové pero na vlastní čisté vlasy. Na rukojeti se vytvoří náboj a kolem ní elektrické pole. Nabité pero k sobě přitáhne malé útržky papíru. Pokud na vlnu natřete předmět větší šířky, například gumičku, pak ve tmě bude možné vidět malé jiskry vznikající z elektrických výbojů .

Elektrické pole se často vyskytuje v blízkosti televizní obrazovky (platí pro CRT televizory ), když je televizor zapnutý nebo vypnutý. Toto pole lze cítit jeho působením na chloupky na pažích nebo obličeji.

Metody výpočtu elektrického pole

Výpočty elektrického pole lze provádět analytickými [24] [25] [26] nebo numerickými metodami [27] . Analytické metody lze aplikovat pouze v nejjednodušších případech, v praxi se používají především numerické metody. Mezi numerické metody patří: metoda mřížky nebo metoda konečných rozdílů ; variační metody; metoda konečných prvků ; metoda integrálních rovnic; metoda ekvivalentních poplatků [27] .

Elektrické pole Země

Země má záporný náboj asi 600 000 C. Na druhé straně má ionosféra Země kladný náboj. Proto je celá atmosféra Země do výšky přibližně 50 km vyplněna elektrickým polem, které lze přibližně považovat za homogenní [28] . Intenzita tohoto pole je od 100 do 300 V/m blízko povrchu. Tento potenciálový rozdíl necítíme, jelikož lidské tělo je vodič, takže náboj částečně přechází ze Země na něj. Těleso díky tomu tvoří spolu s povrchem Země jedinou ekvipotenciální plochu (tedy rozdíl potenciálů mezi libovolným bodem ve výšce 2 m a povrchem Země je asi 200 voltů, ale rozdíl potenciálů mezi lidskou hlavou a povrch Země, na kterém stojí, se blíží nule) .

Celkový potenciálový rozdíl mezi Zemí a ionosférou je 400 000 voltů [28] .

Elektrické pole Země ovlivňuje pohyb nabitých částic v atmosféře. Kladně nabité částice se v něm pohybují dolů a záporně nabité částice nahoru. Nabité částice se neustále tvoří v atmosféře pod vlivem kosmického záření, díky čemuž se v ní udržuje konstantní proud o síle 10-12 ampér na metr čtvereční [28] .

Bezpečnost v oblasti vlivu elektrického pole

Elektrické pole vzniká, když je na částech elektrických instalací pod proudem napětí .

Prostor, ve kterém je intenzita elektrického pole 5 kV/m a více, se běžně nazývá nebezpečná zóna nebo zóna vlivu. Přibližně lze tuto zónu považovat za ležící v kruhu se středem v místě nejbližší živé části pod napětím a s poloměrem R = 20 m pro elektrické instalace 400-500 kV a R = 30 m pro elektrické instalace 750 kV.

Ve venkovních rozváděčích 110 kV a více a na venkovních vedeních 330 kV a více je při provádění prací v zóně vlivu elektrického pole o síle větší než 5 kV / m nutné omezit dobu trvání osob. pobyt v souladu s požadavky ochrany GOST 12.1).

Při síle elektrického pole do 5 kV / m není doba pobytu v něm omezena.

Doba práce v elektrickém poli o síle 20 až 25 kV / m by neměla přesáhnout 10 minut. Při napětí nad 25 kV / m by měly být použity ochranné prostředky, které umožňují práci na plný úvazek.

Přípustná doba pobytu v elektrickém poli T, hodiny, o síle v rozsahu více než 5 až 20 kV/m včetně, se vypočítá podle vzorce

$T=50/E-2$ , h

kde E je síla elektrického pole proudu v kontrolovaném prostoru, kV/m.

Vyšší požadavky platí za předpokladu, že je vyloučena možnost vystavení zaměstnanců elektrickým výbojům.

Spolu s biologickým působením způsobuje elektrické pole výskyt výbojů mezi člověkem a kovovým předmětem, který má jiný potenciál než člověk. Pokud člověk stojí přímo na zemi nebo na vodivém uzemněném podkladu, pak je potenciál jeho těla prakticky nulový, a pokud je izolován od země, pak je tělo pod určitým potenciálem, někdy dosahujícím několika kilovoltů.

Je zřejmé, že dotek osoby izolované od země na uzemněný kovový předmět, stejně jako dotek osoby, která má kontakt se zemí, na kovový předmět izolovaný od země, je doprovázen průchodem výbojového proudu skrz člověka do země, což může způsobit bolestivé pocity, zejména v prvním okamžiku. Často je dotyk doprovázen jiskrovým výbojem. V případě dotyku dlouhého kovového předmětu izolovaného od země (potrubí, drátěného plotu na dřevěných regálech apod. nebo velké plechové střechy dřevostavby apod.) může proud procházející člověkem dosáhnout až životu nebezpečných hodnot .

Přípustná hodnota proudu procházejícího člověkem po dlouhou dobu a vlivem elektrického pole elektroinstalací ultravysokého napětí je přibližně 50-60 μA, což odpovídá intenzitě elektrického pole ve výšce člověka přibližně 5 kV/m. Pokud s elektrickými výboji, ke kterým dojde v okamžiku, kdy se člověk dotkne kovové konstrukce, která má potenciál odlišný od potenciálu osoby, nepřekročí ustálený proud 50-60 μA, pak osoba zpravidla nepociťuje bolest. . Proto je tato aktuální hodnota akceptována jako standardní (přípustná).

Přípustnou dobu pobytu v zóně vlivu elektrického pole bez ochranných prostředků lze realizovat jednorázově nebo s přestávkami během pracovního dne. Po zbytek času byste měli používat ochranné prostředky nebo být v elektrickém poli o síle do 5 kV / m.

Na různých místech v prostoru v blízkosti elektrických instalací má intenzita elektrického pole různé hodnoty a závisí na řadě faktorů: jmenovité napětí, vzdálenost (podél výšky a vodorovné) uvažovaného bodu od procházejícího proudu. díly atd.

Délka pobytu osoby v kontrolovaném prostoru je nastavena s ohledem na nejvyšší hodnotu naměřeného napětí.

Hlavními prostředky kolektivní ochrany před účinky elektrického pole průmyslové frekvence jsou stacionární a přenosné druhy stínících zařízení.

V uzemněných kabinách a nástavbách strojů, mechanismů, mobilních dílen a laboratoří, v železobetonových budovách, ve zděných budovách se železobetonovými podlahami, kovovou konstrukcí nebo uzemněnou plechovou střechou není elektrické pole a není možné používat ochranné prostředky. Požadované.

Přenosná a mobilní stínící zařízení musí být v místě instalace uzemněna připojením k zemnicímu zařízení nebo kovovým konstrukcím, které jsou připojeny k zemnicímu zařízení s pružným měděným vodičem o průřezu minimálně 4 mm 2 .

Odnímatelná stínící zařízení musí mít galvanické spojení s mechanismy, na kterých jsou instalována. Pro uzemňovací stroje a mechanismy není nutné dodatečné uzemnění snímatelných stínících zařízení.

Uzemnění jednotlivých stínících sad se provádí pomocí speciální obuvi s vodivou podrážkou. Při provádění prací ve stoje na izolačním podkladu (dřevěná podlaha, izolant, lakovaný kov) nebo prací souvisejících s dotykem uzemněných konstrukcí nechráněnou rukou (s odstraněnými rukavicemi nebo palčáky) by měl být stínící oděv dodatečně uzemněn spojením s speciální ohebný vodič o průřezu 4 mm 2 k uzemněné konstrukci nebo k uzemňovacímu zařízení.

Při práci je zakázáno používat jednotlivé sady stínění, pokud není vyloučena možnost dotyku živých částí pod napětím do 1000 V, dále při zkoušení zařízení (pro pracovníky, kteří přímo provádějí zkoušky zvýšeným napětím) a elektrickém svařování . Ochrana pracovníků by v tomto případě měla být prováděna pomocí stínících zařízení.

Při provádění prací na částech odpojených částí pod proudem umístěných v zóně vlivu elektrického pole by měly být uzemněny, aby se odstranil indukovaný potenciál.

Je zakázáno dotýkat se odpojených, ale neuzemněných živých částí bez ochranného vybavení.

Opravárenské nástroje a zařízení, která mohou být izolována od země, musí být také uzemněny.

Stroje a mechanismy na pneumatických kolech, umístěné v zóně vlivu elektrického pole, musí být uzemněny. Během jejich pohybu v této zóně by měl být pro odstranění sníženého potenciálu použit kovový řetěz, připevněný k podvozku nebo ke karoserii a dotýkající se země.

Je zakázáno tankovat do strojů a mechanismů hořlaviny a maziva v zóně vlivu elektrického pole.

Při lezení na zařízení a konstrukce umístěné v zóně vlivu elektrického pole by měly být použity ochranné prostředky bez ohledu na hodnotu intenzity elektrického pole a dobu trvání práce v něm. V případě zvedání teleskopickou věží nebo hydraulickým zdvihem by měly být jejich koše (kolébky) vybaveny clonou nebo by měly být použity stínící soupravy.

Poznámky

↑ Purcell Edward M., Morin David J. Elektřina a magnetismus . — 3. — New York: Cambridge University Press, 2013. — S. 14–20. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Browne, str. 225: „... kolem každého náboje je aura, která vyplňuje veškerý prostor. Tato aura je elektrické pole způsobené nábojem. Elektrické pole je vektorové pole… a má velikost a směr.”
↑ Richard Feynman. Feynmanovy přednášky o fyzice sv. II . - Addison Wesley Longman, 1970. - S. 1-3,1-4. - ISBN 978-0-201-02115-8 .
↑ Purcell. Elektřina a magnetismus . - Cambridge University Press, 2013. - S. 15–16. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
↑ Serway. Vysokoškolská fyzika, 10. vydání. . — Cengage Learning. - S. 532-533. — ISBN 978-1305142824 .
↑ Sears, Francis (1982), University Physics, Šesté vydání , 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, páté vydání , ISBN 0-582-42629-4
↑ Tou. Vizualizace oborů a aplikací ve strojírenství . — John Wiley and Sons. - S. 64. - ISBN 9780470978467 .
↑ Griffiths, David J. (David Jeffery), 1942-. Úvod do elektrodynamiky. — 3. - Upper Saddle River, NJ : Prentice Hall, 1999. - ISBN 0-13-805326-X .
↑ Purcell, str. 25: "Gaussův zákon: tok elektrického pole E jakýmkoli uzavřeným povrchem... se rovná 1/e násobku celkového náboje uzavřeného povrchem."
↑ Purcell, str. 356: "Faradayův zákon indukce."
↑ Purcell, p7: „... interakci mezi elektrickými náboji v klidu popisuje Coulombův zákon: dva stacionární elektrické náboje se odpuzují nebo přitahují silou úměrnou součinu velikosti nábojů a nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenost mezi nimi.
↑ Purcell, Edward. Elektřina a magnetismus, 2. vydání. . - Cambridge University Press, 2011. - S. 8–9. — ISBN 978-1139503556 .
↑ růst. Curl & Potenciál v elektrostatice . fyzikální stránky.com (8. října 2011). Získáno 2. listopadu 2020. Archivováno z originálu dne 22. března 2019. (neurčitý)
↑ Hurá. Maxwellovy rovnice . — ISBN 978-0-470-54276-7 .
↑ Purcell, str. 5-7.
↑ Salam, Abdus (16. prosince 1976). "Kvarky a leptony přicházejí hrát" . Nový vědec . 72 .
↑ Úvod do elektrodynamiky (3. vydání), DJ Griffiths, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007, ISBN 81-7758-293-3
↑ Fedosin SG Integrální teorém o energii pole. Gazi University Journal of Science. sv. 32, č. 2, str. 686-703 (2019). http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.3252783 . // Věta o integrální energii pole .
↑ Elektromagnetismus (2. vydání), IS Grant, WR Phillips, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN 978-0-471-92712-9
↑ Elektřina a moderní fyzika (2. vydání) , GAG Bennet, Edward Arnold (UK), 1974, ISBN 0-7131-2459-8
↑ Landau Lev Davidovich, Lifshitz Evgeny M. Elektrodynamika spojitých médií : [ eng. ] . - Pergamon, 1963. - Sv. 8. - S. 285. - "V Maxwellových rovnicích... je ε funkcí souřadnic." — ISBN 978-0-7581-6499-5 .
↑ Grinberg G. A. Vybrané otázky matematické teorie elektrických a magnetických jevů. — M.: AN SSSR, 1948. — 727 s.
↑ Mirolyubov N. N., Kostenko M. V., Levinshtein M. L. Metody pro výpočet elektrostatických polí. - M .: Vyšší škola, 1963. - 416 s.
↑ Smythe W. Elektrostatika a elektrodynamika. — M.: IL, 1954. — 604 s.
↑ 1 2 Kolechitsky E. S. Výpočet elektrických polí vysokonapěťových zařízení. — M.: Energoatomizdat, 1983. — 168 s.
↑ 1 2 3 Elektřina v atmosféře

Literatura

Purcell, Edward. ELEKTŘINA A MAGNETISMUS / Purcell, Edward, Morin, David. — 3. - Cambridge University Press, New York, 2013. - ISBN 978-1-107-01402-2 .
Browne, Michaele. FYZIKA PRO INŽENÝRSTVÍ A VĚDU. — 2. - McGraw-Hill, Schaum, New York, 2011. - ISBN 978-0-07-161399-6 .