Chimie

Le champ électrique dans la matière

Le champ électrique dans la matière


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Métaux dans le champ électrique

Un corps métallique a des supports de charge librement mobiles à l'intérieur. Ce sont des électrons qui peuvent se déplacer librement entre les noyaux atomiques fixes et chargés positivement du réseau métallique. Si le corps est électriquement neutre, la charge négative des électrons a la même quantité que la charge positive des noyaux atomiques.

Cependant, étant donné que les électrons peuvent se déplacer librement dans le métal tandis que les corps atomiques sont liés à leur place, une distribution de charge macroscopique et inhomogène peut se produire dans le corps. Une distribution inhomogène des électrons dans le métal ne se produit que par une contrainte externe - comme un champ électrique.

A titre d'exemple, nous considérons un bloc de métal dans le champ d'une charge ponctuelle positive, donc le champ d'origine (sans le bloc) est le champ radial déjà connu.

Un électron dans le métal subit une force d'attraction de la charge ponctuelle positive externe. Avec une distribution de charge initialement homogène dans le métal, cette force a généralement une composante perpendiculaire et une composante parallèle à la surface du métal.

La composante de force verticale essaie d'extraire l'électron du métal, mais cela ne fonctionne qu'à des intensités de champ très élevées. Nous voulons seulement considérer le cas où les électrons restent liés dans le métal. La composante de force verticale a pour conséquence que les électrons sont répartis sur la surface métallique.

La composante de force tangentielle tire sur l'électron parallèlement à la surface du métal et l'électron peut se déplacer librement dans cette direction. Il se déplacera donc le long de la surface jusqu'à ce que la composante de force parallèle disparaisse, c'est-à-dire jusqu'à ce que la force totale agissant sur l'électron soit perpendiculaire à la surface métallique.

De plus, il faut maintenant prendre en compte que de nombreux électrons se repoussent dans le métal. Dans l'équilibre des forces, par conséquent, non seulement la force de la charge ponctuelle externe qui agit sur un seul électron dans le métal doit être prise en compte, mais aussi les forces de tous les autres électrons ainsi que les noyaux atomiques dans le métal. Il reste cependant que l'électron se déplacera parallèlement à la surface jusqu'à ce que la composante parallèle de la force totale agissant sur l'électron disparaisse comme décrit ci-dessus.

La distribution de charge inhomogène qui en résulte sur la surface du métal contribue maintenant au champ électrique, de sorte qu'il n'est plus dirigé radialement vers la charge ponctuelle. Au contraire, les lignes de champ près du bloc métallique sont courbées de manière à être perpendiculaires à sa surface, car les lignes de champ indiquent la direction de la force agissant sur une charge (ici un électron dans le métal) en chaque point.

Influence
Le processus de déplacement de charge dans le métal dû à un champ électrique est appelé influence.

Étant donné que les lignes de champ se terminent toutes verticalement sur la surface métallique, il s'agit d'une surface équipotentielle. De plus, étant donné que les porteurs de charge mobiles ont migré vers la surface à l'intérieur, il n'y a pas de différences de potentiel à l'intérieur du bloc métallique. Ainsi, l'intérieur de chaque corps métallique est sans champ.

Comportement sur le terrain du métal
Les lignes de champ électrique sont toujours perpendiculaires à la surface des corps métalliques. L'intérieur d'un corps métallique est sans champ.

Cage de Faraday

Il est facile de voir que la liberté de champ dans le corps métallique ne change pas si le corps est creux à l'intérieur. Même si la surface est perforée (par exemple, corps en grillage fin), l'intérieur est encore largement sans champ. Ceci est montré dans les images suivantes, qui ont été calculées avec un programme de simulation. On parle alors d'une cage de Faraday.


Table des matières

  • Le champ vectoriel de l'intensité du champ électrique attribue le vecteur dépendant de la position et du temps E → < displaystyle < vec à chaque point de l'espace >> l'intensité du champ électrique. L'intensité du champ électrique décrit l'effet de la force sur les charges et peut être déterminée expérimentalement grâce à cet effet de force. Agit à un endroit x → < displaystyle < vec >> sur une charge d'essai électrique q < displaystyle q> en l'absence de champ magnétique la force F → (x →) < displaystyle < vec > (< vec >)>, puis l'intensité du champ électrique E → (x →) < displaystyle < vec > (< vec >>> défini par [1] :
  • Le champ vectoriel de la densité de flux électrique D → < displaystyle < vec >> attribue le vecteur dépendant de la position et du temps D → < displaystyle < vec à chaque point de l'espace >> à la densité de flux électrique. La densité de flux électrique ne peut être mesurée qu'indirectement. Deux propriétés de la densité de flux électrique peuvent être utilisées :

La densité d'énergie du champ électrique résulte de l'intensité du champ électrique et de la densité de flux électrique

La relation entre l'intensité du champ électrique et la densité de flux électrique dépend du milieu et est généralement non linéaire en raison de la polarisation électrique. La polarisation électrique dans un matériau est associée à un déplacement de charge et donc à un transport d'énergie. Elle n'est donc pas instantanée et est donc également dépendante de la fréquence. Pour de nombreux médias, on peut encore approximativement avoir une relation linéaire sous la forme

Une idée claire des champs électriques peut être obtenue à partir d'images de lignes de champ. Ceux-ci se composent d'orientés (avec des flèches) Lignes de champ. Ce qui suit s'applique :

  • Les lignes de champ d'un champ électrique généré par des charges commencent à des charges positives (ou à l'infini) et se terminent à des charges négatives (ou à l'infini). Un tel champ est appelé Champ source désigné.
  • Les changements dans le flux magnétique traversant une surface créent un flux électrique Champ de vortex. Dans ce cas, toutes les lignes de champ électrique sont autonomes.

Champ électrique d'une charge ponctuelle modifier

Le champ électrique d'une charge ponctuelle est particulièrement facile à déterminer. D'après la loi de Coulomb, l'intensité du champ en un point donné est :

Modifier le champ électrique de toute distribution de charge

Champ électrique d'une charge de ligne modifier

Le champ électrique d'une charge de ligne (un fil infiniment long et chargé) avec la densité de charge linéaire λ = Q a < displaystyle lambda = < dfrac >> est donné par

Champ électrique d'une charge de surface modifier

Une charge de surface (une plaque mince uniformément chargée, infiniment étendue) crée un champ électrique homogène des deux côtés. Le vecteur d'intensité de champ est perpendiculaire à la plaque en tout point et éloigné de la plaque dans le cas d'une charge positive et vers la plaque dans le cas d'une charge négative. Si on fixe la densité de charge surfacique σ = Q A < displaystyle sigma = < dfrac >> en avant, l'intensité du champ électrique a le montant

Champ électrique homogène (condensateur à plaques) modifier

Le champ électrique entre deux grandes plaques de condensateur plan-parallèles qui contiennent des charges de même quantité mais de signes différents est approximativement homogène (strictement homogène si les plaques sont infiniment grandes). Ce qui suit s'applique à l'amplitude de l'intensité du champ :

Les charges sur les plaques du condensateur sont uniformément réparties sur les surfaces des plaques en regard. Les quantités absolues de densité de charge de surface

Si le condensateur n'est pas connecté à une source de charge externe, la valeur de la densité de charge de surface < displaystyle sigma> ne change pas si un diélectrique est inséré ou retiré entre les plaques du condensateur. L'intensité du champ électrique E < displaystyle E>, cependant, change du facteur 1 / ε r < displaystyle 1 / varepsilon _ < mathrm lorsqu'il est ajouté >>, lors de la suppression par ε r < displaystyle varepsilon _ < mathrm >> .

Champ électrique d'un dipôle modifier

Un dipôle électrique, c'est-à-dire un arrangement de deux charges ponctuelles + Q < displaystyle + Q> et - Q < displaystyle -Q> à une distance d < displaystyle d>, crée un champ à symétrie de rotation. Pour les composantes d'intensité de champ parallèles et perpendiculaires à l'axe dipolaire r < displaystyle r> s'applique dans la direction à grande distance ??:

Ça montre = 0 du centre vers la charge positive.

Exactement la formule s'applique dans le franchissement limite pour la disparition d < displaystyle d> avec une quantité constante du moment dipolaire Q d < displaystyle Qd>.

Si vous amenez lentement un conducteur dans un champ externe constant dans le temps, cela provoque un déplacement de charge (influence) dans le conducteur. L'intérieur reste exempt de charges d'espace, tandis qu'une distribution de charge est établie sur la surface qui maintient l'intérieur du conducteur au total sans champ. A l'extérieur, les lignes de champ sont toujours et partout perpendiculaires à la surface du conducteur, sinon la composante transversale provoquerait un nouveau déplacement de charge. Des intensités de champ élevées apparaissent aux extrémités.

La forme générale du champ électrique dépend à la fois de la position et du temps, E → (r →, t) < displaystyle < vec > (< vec >, t)>. Il est étroitement lié au champ magnétique via les équations de Maxwell et la théorie de la relativité restreinte. Dans la théorie de la relativité restreinte, ses composantes vectorielles sont donc indissociables de celles du champ magnétique pour former un tenseur. Selon le référentiel dans lequel on se trouve en tant qu'observateur, i. H. Dans quel mouvement relatif aux charges d'espace éventuellement existantes, le champ électrique est transformé en un champ magnétique et vice versa via la transformation de Lorentz.

En électrostatique, seules les charges statiques sont prises en compte. Sans courants, il n'y a pas de champ magnétique. Le champ électrostatique n'est donc pas seulement Stationnaire, c'est-à-dire immuable dans le temps, mais aussi sans rotation (sans tourbillon). Un tel champ peut être décrit par un potentiel.

En électrodynamique, d'autre part, il faut également prendre en compte les champs électriques qui sont causés par des champs magnétiques variant dans le temps (induction électromagnétique). Les ondes électromagnétiques telles que la lumière, qui sont constituées de champs électriques et magnétiques interconnectés, sont particulièrement importantes. En raison de la relation étroite entre les champs électriques et magnétiques, les deux sont combinés en électrodynamique pour former le champ électromagnétique.

Jusqu'à ce que Heinrich Hertz vérifie les ondes électromagnétiques, la question était de savoir si les forces agissant entre les charges électriques se produisent directement dans le sens d'un effet à longue distance ou par la médiation de l'espace (effet de proximité).

  • La loi de Coulomb est typique d'une théorie de l'action à distance : Les éléments essentiels de l'arrangement, les charges, apparaissent (en plus des informations nécessaires sur la géométrie) à la fois dans les équations de la force et dans les équations de l'énergie. Des charges en deux lieux différents agissent l'une sur l'autre à distance - il n'est pas question de médiation par l'espace. Dans la théorie de l'action à distance, le champ électrique n'est qu'une variable de calcul subordonnée.
  • Dans une théorie du close-up, cependant, il n'y a que des relations entre des quantités qui sont présentes au même endroit au même moment. Les équations de Maxwell sont un exemple de théorie à courte portée. Selon ces idées, les champs sont de la plus grande importance dans les phénomènes électriques. L'énergie électrique n'est pas considérée comme attachée aux charges et aux conducteurs, mais se trouve dans les isolants et dans le vide et peut être transportée à travers eux.

Tant qu'on ne considère que des changements lents des quantités électriques et magnétiques, il n'est pas décisif d'associer l'une ou l'autre idée aux phénomènes physiques. Cependant, si l'on prend en compte que des impulsions et de l'énergie peuvent se propager dans l'espace avec des ondes électromagnétiques, il est difficile de concilier l'idée d'un effet à distance avec les observations.

En résumé, du point de vue actuel, on suppose que l'interaction entre les charges ne provient que du champ électrique véhiculé volonté. Étant donné que la force dépend du champ électrique au point concerné, mais pas directement du champ électrique aux autres points, il s'agit d'un effet de gros plan. Si la position de l'une des charges change, le changement de champ se propage dans l'espace à la vitesse de la lumière. Une vision relativiste du champ électrique conduit au champ électromagnétique. Celui-ci peut absorber et transporter de la quantité de mouvement et de l'énergie et doit donc être considéré comme tout aussi réel qu'une particule.

Dans le contexte de la mécanique quantique, les champs sont généralement encore considérés comme classiques, même si les états des particules en interaction sont quantifiés. Les théories quantiques des champs combinent les principes des théories des champs classiques (par exemple l'électrodynamique) et décrivent les particules et les champs de manière uniforme. Non seulement les observables (c. La quantification des champs est également connue sous le nom de deuxième quantification.


Le champ électrique dans la matière - chimie et physique

Nous considérons un atome modèle constitué d'un noyau de charge et d'un nuage d'électrons de charge. Sans champ extérieur, les centres de gravité de la cargaison se superposent.

La force agit sur le noyau positif

Agit sur le nuage d'électrons négatifs

La force du ressort agit sur la charge positive comme

La force du ressort agit sur la charge négative

L'équilibre des forces pour la charge positive est :

Alternativement, l'équilibre des forces peut être spécifié pour la charge négative :

Le moment dipolaire induit est

Voici la polarisabilité atomique (unité).

Atome ou molécule
Hey 0.2
Li 0.03
Non 0.4
K 0.9
Xe 3.5
O 3.5
CCL 10
CL 4
JE. 7
Coquille électronique remplie

L'énergie potentielle du dipôle induit dans le champ homogène est

Jusqu'à présent, nous avons supposé que le champ électrique était mesuré dans le vide. Puis s'applique

La relation entre la tension appliquée et le champ électrique est

quelles que soient les propriétés du matériau isolant.

en fonction de la charge stockée. Sur le condensateur, et indépendamment peut être déterminé.

Dans de nombreux cas, et sont linéairement dépendants les uns des autres.

est appelée la constante diélectrique, la susceptibilité diélectrique.

En général, et sont des tenseurs.

Matériel
vide 1
air 1.0006
paraffine 2.1
Un verre 5-9
l'eau 81
l'eau 1.77
Quelques nombres diélectriques relatifs

Toutes les formules électrostatiques peuvent être appliquées aux diélectriques isotropes et homogènes en remplaçant par.

Si un matériau a des dipôles électriques permanents stationnaires, alors ceux-ci sont alignés dans le champ extrême. Les charges à l'intérieur du matériau se compensent. Des charges apparaissent à la surface qui affaiblissent le champ extérieur.

Ce faisant, les charges positives s'accumulent sur la surface vers laquelle pointe le champ électrique. Les charges négatives sont accumulées du côté opposé. Cette polarisation est appelée polarisation d'orientation.

Un milieu non polaire est polarisé par le champ extérieur selon l'équation (2.116). Les centres de charge des électrons se déplacent et un champ électrique interne est à nouveau créé, qui s'oppose au champ externe. Cette polarisation est la polarisation de déplacement.

On utilise la loi de Gauss. Ce qui suit s'applique dans l'espace gratuit (voir l'équation (2.19)). Comme le champ électrostatique est un champ conservateur, cela s'applique également. On considère une surface qui englobe une partie de la surface limite. Puis

et donc la condition de continuité suivante s'applique au déplacement diélectrique

Nous utilisons également une boucle qui pénètre et maintient l'interface deux fois

et donc la condition de continuité suivante s'applique au champ électrique

  • la composante du déplacement diélectrique perpendiculaire à l'interface et
  • la composante du champ électrique parallèle à l'interface

Ces conditions de continuité peuvent également être réécrites pour le potentiel avec

Dans cette section, nous voulons dériver une connexion entre le nombre diélectrique relatif et la polarisabilité à partir d'une observation microscopique. La polarisation d'un atome ou d'une molécule dépend de sa polarisabilité et du champ électrique local. Ce champ local est la somme du champ externe et du champ de tous les autres dipôles du site d'observation.

La polarisation dépend du champ local comme suit :

où est la densité de dipôles induits.

Pour le calcul de et donc nous considérons un diélectrique homogène avec, dans lequel un petit volume sphérique avec le rayon a été supprimé. Dans ce volume, nous calculons le champ local [Som78, 68], qui est causé par un champ externe dans la direction. Le diélectrique crée une densité de charge à la surface de la cavité, de la même manière qu'une densité de charge et un champ électrique sont liés. D'après la loi de Coulomb (équation (2.5)), la contribution de est donnée par

étant donné. Le composant est alors

Nous intégrons & # 252 sur toute la sphère et notons que c'est. L'intégration & # 252ber (facteur) et le & # 252ber (facteur, puisque la charge est concentrée sur la surface) peut être effectuée immédiatement, afin que nous puissions utiliser

obtenir. Puisque le -touch a été choisi, la relation de Lorentz s'applique également en général

La combinaison de l'équation (2.128) et de l'équation (2.132) devient la relation Clausius-Mosotti

qui relie la polarisabilité au nombre diélectrique.

Le calcul est le suivant

Nous considérons un condensateur dont les plaques portent la charge constante. Le champ à l'intérieur du condensateur est un facteur plus petit que le champ sans diélectrique

Dans le cas d'un condensateur à plaques dont la distance est

C'est donc avec le condensateur à plaques

Le décalage diélectrique est constant dans le cas ci-dessus

Si vous maintenez la tension lorsqu'un diélectrique est introduit dans le condensateur,

La densité d'énergie dans le condensateur est

Lorsque nous faisons l'expérience ci-dessus, le liquide diélectrique monte. Cela augmente l'énergie stockée dans le champ électrique et également l'énergie potentielle.

Pour le calcul, nous devons également considérer la batterie ou la source de tension [K & # 228n78].

On suppose un champ homogène

La tension U est maintenue et la charge est transportée
Donc


Des tentatives prometteuses

Configuration de test MADMAX avec cinq disques de saphir positionnés avec précision (Photo: A. Hambarzumjan / MPP)

Dans une première configuration d'essai avec un total de jusqu'à cinq disques de saphir, chacun de 20 centimètres de diamètre (sans aimant), un effet de résonance pouvait déjà être généré avec la précision nécessaire. De plus, une mesure d'une semaine a montré un signal de 10-23 watts.

Ces résultats sont si prometteurs qu'un groupe de parties prenantes s'est réuni pour faire du concept une réalité dans le cadre d'une expérience. Des groupes des institutions de recherche suivantes sont actuellement impliqués dans le projet :

  • CEA-IRFU, Saclay, France
  • DESY Hambourg
  • MPI pour la physique, Munich
  • MPI pour la radioastronomie, Bonn
  • RWTH Aix-la-Chapelle
  • Université de Hambourg
  • Université de Tübingen
  • Université de Saragosse, Espagne

Le MPI for Physics prend en charge les tâches de développement du radiomètre dans la gamme de fréquences 10 à 50 gigahertz ainsi que la construction et la caractérisation du système de disques.


Comment la lumière peut être convertie en matière

En 1934, les physiciens Gregory Breit et John Wheeler ont décrit une réaction de particules dans laquelle un électron et son antiparticule, le positon, sont créés à partir de deux photons en collision. Ce processus n'a pas encore été observé sous cette forme. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Imperial College de Londres ont développé un nouveau concept, jusqu'à présent uniquement théorique, pour une expérience dans laquelle la lumière peut être convertie en matière. Ils ont publié leurs résultats dans la revue "Nature Photonics".

Selon Albert Einstein, la masse peut être convertie en énergie et vice versa. Si vous voulez créer de nouvelles particules, l'énergie utilisée doit être au moins aussi grande que la masse des nouvelles particules - la valeur exacte peut être calculée à l'aide de la célèbre formule d'Einstein. Oliver Pike et ses collègues ont maintenant examiné dans quelle configuration expérimentale on pourrait fournir des quanta de lumière avec les énergies nécessaires. "La mise en œuvre expérimentale aurait été possible depuis longtemps, mais jusqu'à présent, personne n'a eu cette idée", explique le co-auteur Felix Mackenroth de l'Institut Max Planck de physique nucléaire.

Tout d'abord, selon les résultats, il fallait tirer des électrons sur une feuille d'or. Les collisions avec les noyaux d'or ralentissent les électrons et restituent leur énergie sous forme de photons, un milliard de fois plus énergétiques que la lumière visible. Ce rayonnement peut être dirigé dans un récipient spécial, chauffé avec un laser, qui contient également des photons. Si les particules lumineuses de haute énergie frappent un photon dans cette chambre, une paire électron-positon est créée directement, sans que d'autres particules chargées en masse ne soient créées entre elles, comme cela se produit dans d'autres expériences qui ont déjà été réalisées. Afin de séparer et de prouver ces électrons et positons, les scientifiques veulent utiliser un champ magnétique.

À l'aide de modèles de calcul, l'équipe a pu montrer qu'une impulsion de photons devrait être capable de générer 1 000 à 100 000 paires de particules. « Dès la mise en place de la structure, des données fiables devraient être disponibles d'ici quelques mois. Nous travaillons bien entendu déjà sur la mise en œuvre expérimentale et attendons l'approbation des grands instituts de recherche où l'expérience pourra être réalisée », déclare Mackenroth et poursuit : « Les domaines de recherche nouvellement développés pourraient être immenses. Nous prévoyons de rendre expérimentalement accessibles les collisionneurs photon-photon avec la classe d'expériences proposée. »

Ceux-ci pourraient fournir de nouvelles informations sur les processus de l'univers primitif, car c'est là que les réactions de particules et similaires ont eu lieu. Si ces réactions pouvaient être simulées et étudiées en laboratoire, cela contribuerait à la compréhension de l'histoire de la création de l'univers.


Vidéo: FY3 Sähkö - osa 11. Sähkökenttä (Juin 2022).


Commentaires:

  1. Edlyn

    Désolé, ils ne peuvent pas se joindre à la discussion - très occupé. Osvobozhus - Assurez-vous que votre opinion sur cette question.

  2. Mazusar

    Sans trop d'exagération, nous pouvons dire avec certitude que le message a couvert le sujet à 100%. :)

  3. Giflet

    Voyons voir...

  4. Mazin

    Sur notre site stratégiquement important, vous trouverez des plans de construction pour les zones résidentielles des envahisseurs impudents. L'anarchie surgit ici et maintenant !

  5. Quint

    En ce qui concerne vos pensées, je ressens une solidarité complète avec vous, je veux vraiment voir votre opinion plus élargie à ce sujet.



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