Содержание

Электрическое поле: определение, характеристики, свойства

Есть такой термин в физике, как «Электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел. Оно применяется на практике и встречается в повседневной жизни. В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и какие его свойства, а также, где оно возникает и применяется.

Определение

Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле. Если сказать формулировку простыми словами, то это такое поле, которое действует на другие тела с определенной силой.

Основной количественной характеристикой является напряженность электрического поля. Она равна отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда. Сила действует в каком-то направлении, значит и напряженность ЭП векторная величина. Ниже вы видите формулу напряженности:

Напряженность ЭП действует в направлении, которое вычисляется по принципу суперпозиции. То есть:

На рисунке ниже вы видите условное графическое изображение двух зарядов разной полярности и силовые линии электрического поля, возникающего между ними.

Важно! Главным условием возникновения электрического поля является то, что тело должно иметь какой-то заряд. Только тогда вокруг него возникнет поле, которое будет действовать на другие заряженные тела.

Чтобы определить величину напряженности электрического поля вокруг единичного пробного заряда используют закон Кулона, в этом случае:

Такое поле называют еще и кулоновским.

Другой важной физической величиной является потенциал электрического поля. Это уже не векторная, а скалярная величина, она прямопропорциональна энергии, приложенной к заряду:

Важно! Силовой и энергетической характеристикой электрического поля является напряженность и потенциал. Это и есть его основные физические свойства.

Он измеряется в Вольтах и численно равен работе ЭП по перемещению заряда из определенной точки в бесконечность.

Более подробно узнать о том, что такое напряженность электрического поля, вы можете из видео урока:

Виды полей

Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где оно существует. Рассмотрим несколько примеров возникающих полей в различных ситуациях.

  1. Если заряды неподвижны – это статическое поле.
  2. Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
  3. Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
  4. В радиоволнах выделяют электрическое и магнитное поле, которые расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение МП порождает возникновения ЭП с замкнутыми силовыми линиями.

Обнаружение электрического поля

Мы попытались вам рассказать все важные определения и условия существования электрического поля простым языком. Давайте разбираться, как его обнаружить. Магнитное обнаружить легко – с помощью компаса.

Электрическое поле мы можем обнаружить в быту. Все мы знаем, что если потереть пластиковую линейку об волосы, то мелкие бумажки начнут к ней притягиваться. Это и есть действие электрического поля. Когда вы снимаете шерстяной свитер, слышите треск и видите искорки – это оно же.

Другим способом обнаружить ЭП – поместить в него пробный заряд. Действующее поле отклонит его. Это применяется в ЭЛТ мониторах и, соответственно, лучевых трубках осциллографа, об этом поговорим позже.

Практика

Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду с себя и проскакивают искорки между волосами и шерстью, когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками, а они притягиваются и прочее. Но это не является нормальными техническими примерами.

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение. В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика. В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).

Из того, что есть в каждом доме – это электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них есть важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор. В нём заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, как раз таки благодаря работе электрического поля. На картинке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.

Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия. В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

Другое применение уже отошедшее в быту, но еще «живое» в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или т.н. кинескопы). Где одним из вариантов устройства для перемещения луча по экрану является электростатическая отклоняющая система.

Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения. Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме. Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.

На видео ниже кратко и понятно объясняется, что такое электрическое поле и какими свойствами обладает этот особый вид материи:

Материалы по теме:

Что такое электромагнитные поля?

Электромагнитные поля дома

Уровни фонового электромагнитного излучения от передающих или распределительных электросетевых объектов

Электричество передается на большие расстояния по высоковольтным линиям. Трансформаторы снижают такое высокое напряжение в сети до требуемого уровня для распределения электроэнергии на местах – в домах и на предприятиях. Передающие и распределительные электросетевые объекты, а также бытовая электропроводка и электроприборы создают в домах фоновый уровень электрических и магнитных полей промышленной частоты. Если дома не расположены вблизи линий электропередач (ЛЭП), фоновый уровень может доходить примерно до 0.2 микротесл. Непосредственно под ЛЭП поля гораздо сильнее. Индукция магнитного поля на уровне земли может достигать нескольких микротесл. Уровни электрических полей непосредственно под ЛЭП могут доходить до 10 кВ/м. Однако поля (как электрические, так и магнитные) по мере удаления от ЛЭП ослабевают. На расстоянии 50-100 метров уровни полей, обычно, такие же, как те, которые наблюдаются на удаленных от высоковольтных ЛЭП территориях. К тому же, стены зданий значительно снижают уровни электрических полей в сравнении с уровнями вне домов в той же местности.

Электробытовые приборы

Самые сильные электрические поля промышленной частоты в окружающей среде обычно встречаются непосредственно под высоковольтными ЛЭП. Напротив, самые сильные магнитные поля промышленной частоты обычно наблюдаются в непосредственной близости от двигателей и других электроприборов, а также специализированного оборудования, например магнитно-резонансных томографов, используемых для диагностической визуализации в медицине.

Обычные значения силы электрических полей вблизи бытовых электроприборов (на расстоянии 30 см от них
(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.)

Электробытовой приборСила электрического поля (В/м)
Стерео-проигрыватель180
Утюг120
Холодильник120
Миксер100
Тостер80
Фен для волос80
Цветной телевизор60
Кофейная машина60
Пылесос50
Электропечь8
Лампочка5
  
Установленное пороговое значение5000

Многие люди удивляются, когда узнают о существовании магнитных полей самого разного уровня рядом с различными бытовыми приборами. Сила этих полей не зависит от размера, сложности, мощности таких приборов или уровня шума от них. Более того, сила магнитных полей может очень сильно различаться, даже если речь идет о вроде бы похожих приборах. Например, одни фены для волос окружены очень сильным полем, а другие вряд ли вообще создают какое-либо магнитное поле. Такая разница в отношении силы магнитных полей объясняется дизайном изделия.

В приведенной ниже таблице указаны обычные значения силы поля для ряда электроприборов, широко используемых дома и на рабочем месте. Измерения производились в Германии, при этом во всех приборах использовался ток с частотой 50 Гц. Следует отметить, что фактические уровни воздействия значительно различаются в зависимости от модели прибора и расстояния от него.

Обычные значения силы магнитных полей вокруг бытовых электроприборов (в зависимости от расстояния от них)

Электробытовой прибор

На расстоянии 3 см (микротесла)

На расстоянии 30 см (микротесла)

На расстоянии 1 м (микротесла)

Фен для волос

6 – 2000

0. 01 – 7

0.01 – 0.03

Электробритва

15 – 1500

0.08 – 9

0.01 – 0.03

Пылесос

200 – 800

2 – 20

0.13 – 2

Флюоресцентный осветительный прибор

40 – 400

0.5 – 2

0.02 – 0.25

Микроволновая печь

73 – 200

4 – 8

0. 25 – 0.6

Портативный радиоприемник

16 – 56

1

< 0.01

Электропечь

1 – 50

0.15 – 0.5

0.01 – 0.04

Стиральная машина

0.8 – 50

0.15 – 3

0.01 – 0.15

Утюг

8 – 30

0.12 – 0.3

0.01 – 0. 03

Посудомоечная машина

3.5 – 20

0.6 – 3

0.07 – 0.3

Компьютер

0.5 – 30

< 0.01

 

Холодильник

0.5 – 1.7

0.01 – 0.25

<0.01

Цветной телевизор

2.5 – 50

0.04 – 2

0.01 – 0.15

Для большинства бытовых электроприборов сила магнитного поля на расстоянии 30 см от них значительно ниже установленного для населения порогового значения в 100 микротесл.

(Источник: Федеральное ведомство по радиационной защите, Германия, 1999 г.). Нормальная дистанция для работы с прибором выделена жирным шрифтом.

Таблица иллюстрирует две основные мысли: во-первых, сила магнитного поля вокруг всех приборов стремительно уменьшается по мере того, как вы удаляетесь от них; во-вторых, большинство бытовых приборов работает не слишком близко от человека. На расстоянии 30 см уровень магнитные поля вокруг большинства бытовых приборов более чем в 100 раз ниже установленного для обычного населения порогового значения в 100 микротесл при частоте электрического тока в 50 Гц (и 83 микротесл при частоте тока в 60 Гц).

Телевизоры и компьютерные мониторы

В основе работы компьютерных мониторов и телевизоров лежат одни и те же принципы. И те и другие продуцируют статические электрические поля и переменные электрические и магнитные поля разных частот. Однако, жидко-кристаллические мониторы некоторых ноутбуков и настольных ПК не создают значительные электрические и магнитные поля. Мониторы современных компьютеров созданы из проводящих материалов, что снижает статическое поле вокруг монитора до уровней, сопоставимых с нормальным фоновым уровнем в доме или на рабочем месте. Если человек работает на правильном расстоянии (30-50 см) от монитора, уровень индукции переменного магнитного поля (промышленной частоты) обычно ниже 0,7 микротесл. Сила переменных электрических полей при работе на том же расстоянии от монитора находится в интервале от менее 1 В/м до 10 В/м.

Микроволновые печи

Бытовые микроволновые печи отличаются большой мощностью. Однако, надежный защитный экран снижает возможную утечку микроволнового излучения за пределы печи до практически неопределяемого уровня. Кроме того, уровень утечки стремительно снижается по мере удаления пользователя от печи. Во многих странах существуют промышленные стандарты, конкретно указывающие предельно допустимые уровни утечки для новых печей. Если печь соответствует этим стандартам, она не представляет никакой угрозы для потребителя.

Переносные телефоны

Для работы переносных телефонов требуется гораздо менее интенсивное поле, чем для мобильных телефонов. Это связано с тем, что они используются совсем близко от своей базы, а значит, нет необходимости в сильном поле, как это было бы в случае передачи сигнала на большое расстояние. Соответственно, радиочастотные поля вокруг этих телефонов совсем незначительны.

Электромагнитные поля в окружающей среде

Радар

Радары используются для навигации, составления прогноза погоды, в военных целях, а также для выполнения множества других задач. Они посылают пульсирующие микроволновые сигналы. Пиковая мощность сигнала может быть высокой, между тем как средняя мощность может быть низкой. Многие радары вращаются или движутся вверх и вниз, что уменьшает среднее значение плотности мощности поля, которое воздействует на людей вблизи радара. Даже в отношении высокомощных, не вращающихся военных радарных установок действуют ограничения по уровню воздействия: он должен быть ниже установленного порогового значения в местах, доступных для населения.

Системы безопасности

Системы защиты от краж в магазинах основаны на использовании специальных датчиков, закрепляемых на товарах, которые считываются электрическими контурами на выходе. Когда покупка осуществлена должным образом, эти датчики снимают или полностью деактивируют. Электромагнитные поля вокруг контуров обычно не превышают рекомендуемые уровни допустимого воздействия. Системы управления доступом, работают по тому же принципу: датчик встроен в брелок для ключей, либо в пропуск. Системы безопасности в библиотеках используют специальные этикетки-датчики, которые деактивируются при выдаче книги читателю и вновь активируются, когда книга возвращается. Металло-детекторы и системы безопасности в аэропортах создают сильное магнитное поле (до 100 микротесл), которое реагирует на металлические предметы. Вблизи рамки детектора сила магнитного поля может приближаться к установленному пороговому уровню, а иногда и превышать его. Тем не менее, это не создает угрозу для здоровья, о чем будет сказано в разделе, посвященном руководящим принципам по допустимым уровням воздействия (см. «Опасны ли уровни воздействия выше установленных пороговых значений?»).

Электропоезда и трамваи

Поезда дальнего следования имеют один или несколько моторных отсеков, расположенных в отдельных вагонах. Таким образом, пассажиры испытывают воздействие полей в основном от электричества, подаваемого в поезд. Магнитные поля в пассажирских вагонах поездов дальнего следования могут достигать нескольких сотен микротесл на уровне пола и более низких значений (десятков микротесл) в других местах в купе. Сила электрического поля может достигать 300 В/м. Люди, живущие вблизи железнодорожных путей, могут испытывать воздействие магнитных полей от линий электропроводов над полотном железной дороги, причем сила этих полей, в зависимости от каждой конкретной страны, может быть сопоставима с силой полей вокруг высоковольтных ЛЭП.

Двигатели и тяговое оборудование поездов и трамваев обычно располагается внизу, под пассажирскими вагонами. На уровне пола интенсивность магнитного поля может достигать десятков микротесл (на тех участках пола, которые находятся прямо над двигателем). Однако, чем выше от пола, тем быстрее уменьшается интенсивность поля, и его воздействие на верхнюю часть туловища пассажиров значительно слабее.

Телевидение и радио

Когда вы у себя дома слушаете радио и ищете нужную вам станцию, задавались ли вы когда-нибудь вопросом, что могут означать хорошо знакомые вам сокращения АМ и FM? Радиосигналы могут быть амплитудно-модулированными (АМ) или частотно-модулированными (FM). Все зависит от того, как они переносят информацию. Радиосигналы АМ могут использоваться для вещания на очень большие расстояния, в то время как FM волны охватывают более ограниченные пространства, но при этом обеспечивают звук лучшего качества.

АМ радиосигналы передаются при помощи сложной системы антенн, которые могут достигать десятков метров в высоту и располагаться в местах, не доступных обычному населению. Уровни воздействия в непосредственной близости от антенн и кабелей питания могут быть высокими, но с ними приходится иметь дело обслуживающему персоналу, а не обычному населению.

Телевизионные антенны и антенны для FM радиосигналов гораздо меньше по размеру, чем антенны для АМ радиосигналов, и устанавливаются они как система направленных антенн на самом верху высоких башен. Причем башни являются лишь поддерживающей конструкцией. Поскольку уровень воздействия у самого основания таких башен ниже установленных пороговых значений, доступ обычного населения в места, где находятся такие башни, не запрещен. Небольшие ТВ- и радиоантенны местного значения иногда устанавливаются на крышах зданий; в этом случае не исключается необходимость контролировать доступ на крышу.

Мобильные телефоны и их базовые станции

Мобильные телефоны дают нам возможность всегда быть на связи с другими людьми. Эти приборы низкой мощности, испускающие и принимающие радиоволновые сигналы от сети стационарных базовых станций малой мощности. Каждая базовая станция мобильной связи обеспечивает охват определенной территории. В зависимости от потока обрабатываемых звонков, базовые станции могут находиться на расстоянии от всего лишь нескольких сотен метров (в крупных городах) до нескольких километров (в сельской местности) друг от друга.

Базовые станции мобильной связи обычно устанавливают на крыше зданий или башен, на высоте от 15 до 50 метров. Уровни прохождения сигналов от конкретной базовой станции непостоянны и зависят от количества звонков и расстояния, на котором звонящий абонент находится от базовой станции. Антенны излучают очень узкий пучок радиоволн, который далее распространяется почти параллельно земле. Поэтому радиочастотные поля на уровне земли и на территориях, обычно доступных для населения, во много раз ниже уровней, представляющих опасность.

Рекомендуемые пороговые значения были бы превышены лишь в том случае, если бы человек оказался прямо перед системой антенн на расстоянии одного-двух метров. До того, как мобильные телефоны стали широко использоваться, население в основном испытывало воздействие радиочастотного излучения от радио- и ТВ-станций. Но и сегодня, с появлением мобильных телефонов, башни, на которых расположены базовые станции мобильной связи, сами по себе крайне мало усугубляют общее воздействие на наш организм, поскольку сила сигналов в местах, доступных для населения, обычно такая же или даже ниже, чем сила сигналов от радио- и ТВ-станций, расположенных на значительном удалении от этих мест.

Однако на самого пользователя мобильного телефона воздействуют радиочастотные поля более высокого уровня, чем те, которые обычно присутствуют в окружающей нас среде. Разговаривая по мобильному телефону, мы держим его очень близко к голове. Именно поэтому, вместо того, чтобы отслеживать эффект нагревания тканей во всем организме, следует определить распределение поглощенной энергии в голове пользователя телефона. В результате сложного компьютерного моделирования и проведения оценок с использованием моделей головы человека, сделан вывод о том, что, по всей видимости, уровень энергии, поглощенной при использовании мобильного телефона, не превышает установленных на сегодня пороговых значений.

Вызывают обеспокоенность и другие, так называемые «нетермальные» последствия воздействия частот мобильных телефонов. Есть различные предположения в отношении едва заметных эффектов для клеток, которые могут повлиять на развитие раковых заболеваний. Также высказываются гипотезы о возможных эффектах для тканей, раздражаемых под воздействием электричества, и о том, что это может повлиять на функцию мозга и нервных тканей. Тем не менее, все имеющиеся на данный момент фактические данные не подтверждают наличия каких-либо пагубных последствий для здоровья человека от использования мобильных телефонов.

Магнитные поля в повседневной жизни: действительно ли они такие сильные?

В последние годы национальными органами власти различных стран были проведены многочисленные оценки для определения уровней ЭМП в среде обитания человека. Ни одно из этих обследований не пришло к выводу о том, что уровни полей могут вызвать неблагоприятные последствия для здоровья.

Недавно Федеральное ведомство по радиационной защите (Германия) сделало оценку повседневного воздействия магнитных полей с привлечением к обследованию примерно 2 000 человек. Оценка проведена как в отношении представителей ряда профессий, так и обычного населения. Всем участникам обследования были выданы персональные дозиметры для измерения уровней воздействия 24 часа в сутки. Полученные данные различались весьма значительно, но средний уровень в день составлял 0,10 микротесл. Это значение в тысячу раз меньше, чем предельно допустимое значение в 100 микротесл для обычного населения и в 5 тысяч раз ниже, чем предельное допустимое значение в 500 микротесл для людей определенных профессий. Более того, при исследовании воздействия полей на людей, живущих в центральной части городов, было обнаружено, что, с точки зрения воздействия полей, нет существенной разницы между проживанием в сельской и городской местности. Даже уровни воздействия на людей, живущих в непосредственной близости от высоковольтных ЛЭП, лишь незначительно отличаются от средних уровней воздействия на обычное население.

Основные положения

  • Фоновые уровни ЭМП в доме в основном создаются передающими и распределительными электросетевыми объектами или бытовыми электроприборами.
  • Электроприборы сильно различаются с точки зрения силы генерируемых ими полей. По мере удаления от приборов уровни как электрических, так и магнитных полей стремительно снижаются. В любом случае, уровни полей вокруг бытовых электроприборов обычно гораздо ниже установленных пороговых значений.
  • Уровни электрических и магнитных полей от телевизоров и компьютерных мониторов (при соблюдении пользователем правильной дистанции от них) в сотни тысяч раз ниже установленных пороговых значений.
  • Микроволновые печи, отвечающие стандартам качества, не представляют опасности для здоровья.
  • Пока действуют ограничения в отношении доступа населения непосредственно к радарным установкам, радиоантеннам и базовым станциям мобильной связи, установленные предельные уровни воздействия радиочастотных полей не будут превышены.
  • Пользователи мобильных телефонов испытывают воздействие полей таких уровней, которые значительно превышают любые значения, регистрируемые в обычной среде обитания. Но, по-видимому, даже столь высокие уровни воздействия не приводят к пагубным последствиям для здоровья.
  • Многочисленные обследования подтвердили, что воздействие электромагнитных полей тех уровней, которые наблюдаются в среде обитания человека, очень незначительно.

Урок 27.

напряжённость и потенциал электростатического поля. разность потенциалов – Физика – 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 27. Напряжённость и потенциал электростатического поля. Разность потенциалов

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Теория дальнодействия;

2) Теория близкодействия;

3) Электрическое поле;

4) Скорость электрического поля;

5) Напряжённость электрического поля;

6) Однородное и неоднородное электрическое поле;

7) Принцип суперпозиции полей;

8) Диэлектрическая проницаемость;

9) Электростатическая защита

10) Работа электрического поля;

11) Потенциал и разность потенциалов.

Глоссарий по теме:

Напряжённость отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля точечный заряд, к этому заряду.

Потенциал точки электростатического поля -отношение потенциальной энергии заряда, помещённого в данную точку, к этому заряду.

Напряжение – разность потенциалов.

Потенциальное поле – поле, работа которого по перемещению заряда по замкнутой траектории всегда равна нулю.

Напряжённость направлена в сторону убывания потенциала.

Эквипотенциальные поверхности – поверхности равного потенциала.

Свободные зарядызаряженные частицы, способные свободно перемещаться в проводнике под влиянием электрического поля.

Электростатическая индукция – явление разделения зарядов и их распределение по поверхности проводника во внешнем электрическом поле.

Основная и дополнительная литература

Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 290 – 320.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 9 – 11 класс. М. Дрофа, 1999 – С. 93 – 102

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое поле.

Электрическое поле – это особый вид материи, посредством которой происходит взаимодействие зарядов. Скорость распространения электрического поля в вакууме равна 300000 км/с.

Напряжённость Е – силовая характеристика электрического поля.

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках, называется однородным. Поле между параллельными пластинами однородно

Главное свойство электрического поля – это действие его на электрические заряды с некоторой силой.

Напряжённость-это отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля точечный заряд, к этому заряду.

Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают поля, напряжённости которых Е1, Е2, то результирующая напряжённость поля в этой точке равна геометрической сумме напряжённостей этих полей. В этом состоит принцип суперпозиции полей.

Заряд, помещенный в электрическое поле обладает потенциальной энергией.

Потенциалом φ точки электростатического поля называют отношение потенциальной энергии Wn заряда, помещённого в данную точку, к этому заряду q.

Напряжение – это работа, совершаемая полем при перемещении заряда 1Кл.

Примеры и разбор решения заданий

1. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ФОРМУЛЫ

Напряженность

Потенциал

Потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле

Разность потенциалов

qΕd

Решение: вспомнив формулы величин, можем установить:

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

ФОРМУЛЫ

Напряженность

Потенциал

Потенциальная энергия заряда в однородном электростатическом поле

qΕd

Разность потенциалов

2. В однородном электрическом поле напряжённостью 1 В/м переместили заряд -25 нКл в направлении силовой линии на 2 см. Найти работу поля, изменение потенциальной энергии заряда и напряжение между начальной и конечной точками перемещения.

Решение.

Работа электрического поля при перемещении заряда вдоль силовой линии:

ΔA = – qΕΔd,

при этом изменение потенциальной энергии равно:

Напряжение между начальной и конечной точками перемещения равно:

Вычисления:

ΔA = -25 · 10-9 Kл · 103 B/м · 0,02 м = -0,5 мкДж;

Ответ:

Электрическое поле – это материальный объект, делающий возможным взаимодействие между заряженными телами. Электрическое поле 4 как доказать что электрическое поле материально

Вокруг каждого заряда на основании теории близкодействия существует электрическое поле. Электрическое поле – материальный объект, постоянно существует в пространстве и способно действовать на другие заряды. Электрическое поле распространяется в пространстве со скоростью света. Физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд (точечный положительный малый заряд, не влияющий на конфигурацию поля), к значению этого заряда, называется напряженностью электрического поля . Используя закон Кулона возможно получить формулу для напряженности поля, создаваемого зарядом q на расстоянии r от заряда . Напряженность поля не зависит от заряда, на который оно действует. Линии напряженности начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, или же уходят в бесконечность. Электрическое поле, напряженность которого одинакова по всем в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем. Приблизительно однородным можно считать поле между двумя параллельными разноименно заряженными металлическими пластинками. При равномерном распределении заряда q по поверхности площади S поверхностная плотность заряда равна . Для бесконечной плоскости с поверхностной плотностью заряда s напряженность поля одинакова во всех точках пространства и равная .Разность потенциалов.

При перемещении заряда электрическим полем на расстояние совершенная работа равна . Как и в случае с работой силы тяжести, работа кулоновской силы не зависит от траектории перемещения заряда. При изменении направления вектора перемещения на 180 0 работа сил поля меняет знак на противоположный. Таким образом, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю. Поле, работа сил которого по замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным полем.

Точно так же, как тело массой m в поле силы тяжести обладает потенциально энергией, пропорциональной массе тела, электрический заряд в электростатическом поле обладает потенциальной энергией W p , пропорциональной заряду. Работа сил электростатического поля равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком. В одной точке электростатического поля разные заряды могут обладать различной потенциальной энергией. Но отношение потенциальной энергии к заряду для данной точки есть величина постоянная. Эта физическая величина называется потенциалом электрического поля , откуда потенциальная энергия заряда равна произведению потенциала в данной точке на заряд. Потенциал – скалярная величина, потенциал нескольких полей равен сумме потенциалов этих полей. Мерой изменения энергии при взаимодействии тел является работа. При перемещении заряда работа сил электростатического поля равна изменению энергии с противоположным знаком, поэтому . Т.к. работа зависит от разности потенциалов и не зависит от траектории между ними, то разность потенциалов можно считать энергетической характеристикой электростатического поля. Если потенциал на бесконечном расстоянии от заряда принять равным нулю, то на расстоянии r от заряда он определяется по формуле

Действие одних заряженных тел на другие заряженные тела осуществляется без их прямого контакта, посредством электрического поля.

Электрическое поле материально . Оно существует независимо от нас и наших знаний о нем.

Электрическое поле создается электрическими зарядами и обнаруживается при помощи электрических зарядов по действию на них определенной силы.

Электрическое поле распространяется с конечной скоростью 300000 км/с в вакууме.

Так как одним из основных свойств электрического поля является его действие на заряженные частицы с определенной силой, то для введения количественных характеристик поля необходимо в исследуемую точку пространства поместить небольшое тело с зарядом q (пробный заряд). На это тело со стороны поля будет действовать сила

Если изменить величину пробного заряда, например, в два раза, в два раза изменится и сила, действующая на него.

При изменении величины пробного заряда в n раз, в n раз изменяется и сила, действующая на заряд.

Отношение же силы, действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, есть величина постоянная и не зависящая ни от этой силы, ни от величины заряда, ни от того, есть ли вообще в исследуемой точке поля какой-либо заряд. Это отношение обозначается буквой и принимается за силовую характеристику электрического поля. Соответствующая физическая величина называется напряженностью электрического поля .

Напряженность показывает, какая сила действует со стороны электрического поля на единичный заряд, помещенный в данную точку поля.

Чтобы найти единицу напряженности, надо в определяющее уравнение напряженности подставить единицы силы – 1 Н и заряда – 1 Кл. Получаем: [ E ] = 1 Н / 1 Кл = 1 Н/Кл.

Для наглядности электрические поля на чертежах изображаются с помощью силовых линий.

Электрическое поле может совершать работу по перемещению заряда из одной точки в другую. Следовательно, заряд, помещенный в заданную точку поля, обладает запасом потенциальной энергии .

Энергетические характеристики поля можно ввести аналогично введению силовой характеристики.

При изменении величины пробного заряда, меняется не только сила, действующая на него, но и потенциальная энергия этого заряда. Отношение же энергии пробного заряда, находящегося в данной точке поля, к величине этого заряда, является величиной постоянной и не зависящей ни от энергии, ни от заряда.

Чтобы получить единицу потенциала, надо в определяющее уравнение потенциала подставить единицы энергии – 1 Дж и заряда – 1 Кл. Получаем: [φ] = 1 Дж / 1 Кл = 1 В.

Эта единица имеет собственное наименование 1 вольт.

Потенциал поля точечного заряда прямо пропорционален величине заряда, создающего поле и обратно пропорционален расстоянию от заряда до данной точки поля:

Электрические поля на чертежах можно изображать и с помощью поверхностей равного потенциала, называемых эквипотенциальными поверхностями .

При перемещении электрического заряда из точки с одним потенциалом в точку с другим потенциалом совершается работа.

Физическая величина, равная отношению работы по перемещению заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда, называется электрическим напряжением :

Напряжение показывает, чему равна работа, совершаемая электрическим полем при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую.

Единицей напряжения, так же как и потенциала, является 1 В.

Напряжение между двумя точками поля, расположенными на расстоянии d друг от друга, связано с напряженностью поля:

В однородном электрическом поле работа по перемещению заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории и определяется только величиной заряда и разностью потенциалов точек поля.

ТИП УРОКА: Урок изучения нового материала.

ЦЕЛИ УРОКА:

Обучающие:

1. Сформировать одно из основных понятий электродинамики – электрическое поле.
2. Сформировать представление о материи в двух формах: вещества и поля.
3. Показать способы обнаружения электрического поля.

Развивающие:

1. Развивать способности учащихся анализировать, сравнивать, выделять существенные признаки, делать выводы.
2. Развивать абстрактное и логическое мышление учащихся.

Воспитывающие:

1. На примере борьбы теорий близкодействия и дальнодействия показать сложность процесса познания.
2. Продолжить формировать мировоззрение на примере знаний о строении материи.
3. Воспитывать умение доказывать, отстаивать свою точку зрения.

ОБОРУДОВАНИЕ:

  • графопроектор;
  • прибор для демонстрации спектров электрических полей;
  • высоковольтный преобразователь “Разряд”;
  • источник тока;
  • соединительные провода;
  • электрометр;
  • мех, палочка из оргстекла;
  • фигурки из бумаги;
  • кусок ваты, провода;
  • трансформатор;
  • виток провода с лампой на 3,5В.

Дидактический момент: учет знаний, умений, навыков.

Прием: фронтальный опрос.

Учитель: Вспомните, что такое электрический заряд.
Ученик: Электрический заряд – свойство тел осуществлять электромагнитное взаимодействие друг с другом с силами, которые убывают с увеличением расстояния так же, как и силы всемирного тяготения, но превышают силы тяготения в несколько раз.
Учитель: Можно ли сказать: “Полетел свободный заряд.
Ученик: Нет. Электрический заряд всегда находится на частице, свободных электрических зарядов не существует.
Учитель: Какие вам известны виды электрических зарядов, и как они взаимодействуют.
Ученик : В природе существуют частицы с положительными и отрицательными зарядами. Две положительно заряженные или две отрицательно заряженные частицы отталкиваются, положительно и отрицательно заряженные – притягиваются.
Учитель: Действительно, у зарядов все как в жизни у людей. Два энергичных активных человека не могут долгое время быть вместе, одинаковое отталкивается. Энергичный и спокойный уживаются хорошо, различное притягивается.
Учитель: В электростатике нам с вами известен закон Кулона для взаимодействия зарядов. Запишите и сформируйте этот закон.
Ученик : F = k|q1| |q2| / rІ (пишет на доске, проговаривает закон вслух).

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояний между ними. Если хотя бы один заряд увеличить, то увеличится сила взаимодействия, если расстояние между зарядами увеличить, сила уменьшится.

Дидактический момент: пропедевтика изучения нового материала.
Прием: проблемная ситуация.

Учитель: Хорошо, основное из пройденного мы вспомнили. А вы не задумывались, каким образом один заряд действует на другой?

Опыт: Помещаю на отрицательный полюс высоковольтного преобразователя ватку. Она приобретает знак “минус”. Со стороны положительного полюса на ватку действует электрическая сила. Под действием ее вата перепрыгивает на положительный полюс, приобретает знак “плюс” и т. д.

Учитель: Как же один заряд действует на другой?. Как осуществляются электрические взаимодействия?. Закон Кулона на это не отвечает. Проблема …Отвлечемся от электрических взаимодействий. А как вы взаимодействуете друг с другом, как, например, Аня обратит на себя внимание Кати?
Ученик: Я могу взять её за руку, толкнуть, бросить записку, попросить кого-то её позвать, крикнуть, свистнуть.
Учитель : Во всех ваших действиях с точки зрения физики есть общее: кто это общее заметил?
Ученик : Взаимодействие осуществляется через промежуточные звенья (руки, плечи, записки), или через среду (звук распространяется в воздухе).
Учитель : Какой же следует вывод?
Ученик: Для взаимодействия тел необходим некий физический процесс в пространстве между взаимодействующими телами.
Учитель : Итак, с взаимодействием людей мы разобрались. А как же взаимодействуют электрические заряды? Что является промежуточными звеньями, средой, осуществляющей электрические взаимодействия?

Дидактический момент: изучение нового материала.
Приемы: объяснение с опорой на знания учащихся, элементы спора, элементы игры, изложение теории в стихах, демонстрационный эксперимент.
Учитель: По этому поводу в физике был долгий спор сторонников теорий близкодействия и дальнодействия. Сейчас мы станем сторонниками этих теорий и попытаемся поспорить. .
(Делю класс и доску на две половины. С правой стороны доски пишу: “Теория близкодействия”. Здесь же нарисован кроссворд, рисунок 1).

(С левой стороны доски пишу: “Теория дальнодействия”. Здесь нарисован кроссворд, рисунок 2).

Учитель: Итак, правая часть класса – сторонники теории близкодействия. Договорились?
Левая часть – сторонники теории дальнодействия. Договорились?
(Перехожу в правую часть класса).

Учитель: Что ж, начинаем спорить. Я излагаю суть теории близкодействия, а вы мне помогите, угадайте слова, написанные на доске.

Мы – сторонники близкодействия

Между телами должна быть среда.
Звенья для связи, а не пустота.
Процессы в среде той идут быстротечно,
Но не мгновенно. Их скорость конечна.
(Затем повторяю еще раз, без пауз, выделенные слова прошу произносить всех сторонников теории близкодействия).

Учитель: Приведите примеры, доказывающие вашу теорию.
Ученик: 1. Звук распространяется по воздуху или другой среде со скоростью 330 м/с.

2. Нажми на педаль тормоза, давление тормозной жидкости с конечной скоростью, передается к тормозным колодкам.
(Перехожу в левую часть класса)

Учитель: Сторонники теории дальнодействия. Яизлагаю суть теории дальнодействия, а вы мне помогите, отгадайте слова, выписанные на доске.

Мы – сторонники дальнодействия
Утверждаем: для взаимодействия
Необходима одна пустота,
А не какие-то звенья, среда .
Взаимодействие тел несомненно
В той пустоте происходит мгновенно.

(Затем повторяю еще раз, без пауз, выделенные слова прошу произносить всех сторонников теории дальнодействия)

Учитель: Приведите примеры, доказывающие вашу теорию?
Ученик: 1. Нажимаю на выключатель, свет включается мгновенно. 2. Электризую стержень о мех, подношу к электрометру, стрелка электрометра мгновенно отклоняется (показывает опыт с электрометром).
Учитель: Сделаем записи в тетради:

Теория близкодействия:

  1. Электрическое взаимодействие осуществляется через среду, промежуточные звенья.
  2. Электрическое взаимодействие передается с конечной скоростью.

Теория дальнодействия:

  1. Электрическое взаимодействие осуществляется через пустоту.
  2. Электрическое взаимодействие передается мгновенно.

Учитель: Как быть? Кто же прав? Для разрешения спора нам нужна…?

Класс: Идея.

Учитель: Да, идея – редкая дичь в лесу слов. / В.Гюго/

Спор завершил генератор идей –
Английский ученый Майкл Фарадей.

Какова идея Фарадея? Откройте стр.102 параграф38, пункт 1.

Даю 3 минуты уловить гениальную идею Фарадея. (Класс читает, учитель изменяет положение приборов).

Ученик: Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

Учитель: Так кто же прав: сторонники теорий дальнодействия или близкодействия?

Ученик: Сторонники теории близкодействия.

Учитель: А что является промежуточным звеном, осуществляющим электрическое взаимодействие?

Ученик: Электрическое поле .

Учитель: Так почему же взаимодействует заряженная ватка с заряженным шаром на расстоянии, вспомните опыт?

Ученик: Электрическое поле заряженного шара действует на ватку.

Учитель: Электрическое поле… Сказать легко, а представить сложно. Наши органы чувств не способны видеть, фиксировать это поле. Так что же такое электрическое поле? (Формулировки пунктов 1) – 4) создаем совместно, ученики делают записи в тетрадь).

Электрическое поле: (запись в тетради ). Устные комментарии учителя или учеников.

1). Вид материи, существующий в пространстве около заряженных тел.1) Материя может существовать в двух формах: вещества и поля. Вещество ощущаем непосредственно органами чувств, поле – опосредованно, через что-либо.
2). Поле материально, существует независимо от нас.2) (а) Радиоволны – электромагнитные поля. Они распространяются в пространстве, даже когда их источник (например, радиостанция) не работает.

(б) Микроволновая печь разогревает пищу за счет энергии электрического поля. Значит, электрическое поле существует. Оно материально, т.к. обладает энергией.

3). Электрическое поле распространяется с конечной скоростью с= 3* 10 8 м/с.3) Сейчас это доказано: управляя луноходом с Земли, учитывают, что радиосигнал идет до Луны 1,3 сек.; управляя станцией на Венере, учитывают, что до нее электрическое поле идет 3,5 мин.
4). Главное свойство электрического поля -действие его на электрические заряды с некоторой силой. 4) Опыт: электрическое поле пластины из оргстекла действует на бумажные фигурки с силой, заставляя их двигаться, “плясать”.

Учитель: Хотелось бы вам “увидеть” электрическое поле?

С помощью наших органов чувств это невозможно. Нам помогут мелкие частицы (манка), насыпанные в машинное масло и помещенные в сильное электрическое поле.

Опыт. (Используется прибор для демонстрации спектров электрических полей).

Беру кювету с маслом и манкой, размешаю на графопроекторе, подвожу напряжение от “Разряда”к электродам. На электродах появились разноименные заряды. Что видим, как это объяснить?

Ученик: Вокруг электродов существует электрическое поле, крупинки манки наэлектризовались и под действием поля начали располагаться по определенным линиям, т.к. поле действует на крупинки с силой.

Учитель: Крупинки выстраиваются по силовым линиям электрического поля, отражая его “картину”. Там, где линии гуще – поле сильнее, реже – слабее. Линии тянутся друг к другу, значит, поля разноименные.

Поле двух пластин иное. Линии поля параллельны. Такое поле одинаково во всех точках и называется однородным.

Размещу в поле двух пластин металлическое кольцо,” внутри кольца крупинки не перестраиваются. Что это значит?

Ученик: Внутри металлического кольца электрического поля нет.

Дидактический момент: обобщение; краткий учет знаний.
Приемы: экспресс – опрос с использованием сигнальных карточек; опыт на догадку.

Учитель: Так что же мы сегодня узнали, что же осталось в головах? Проверим. На ваших столах – 5 карточек разных цветов. Я задаю вопрос, вы поднимаете ту карточку, на которой, с вашей точки зрения, верный ответ: цветной стороной – ко мне, текстом – к вам. По цвету я быстро сориентируюсь, кто же что усвоил. (Учитель фиксирует результат экспресс-опроса).

Экспресс-опрос.

Вопрос 1. Сущность теории близко действия? (Красная карточка).

Вопрос 2. Сущность теории дальнодействия? (Синяя карточка).
Вопрос 3.
Суть идеи Фарадея? (Зеленая карточка).
Вопрос 4.
Что такое электрическое поле? (Белая карточка).

(Пятая карточка (оранжевая) не соответствует ни одному из вопросов).

Тексты карточек.

  1. Красная карточка: тела взаимодействуют через промежуточные звенья с конечной
    скоростью.
  2. Синяя карточка: тела взаимодействуют через пустоту мгновенно.
  3. Зеленая карточка: электрическое взаимодействие происходит благодаря
    электрическому полю.
  4. Белая карточка: вид материи, существующий в пространстве около заряженных тел. Поле независимо от нас, распространяет с конечной скоростью и действует с некоторой силой на заряд.

Итог: учитель проговаривает, сколько человек из класса правильно ответили на вопросы, называет верные цвета карточек. Молодцы!

Учитель: А сейчас – опыт под звонок.

Опыт: Включаю в сеть трансформатор. В его обмотках движутся заряды, вокруг которых, как вы знаете, создаётся электрическое поле. Беру виток провода и лампой. Виток не подключен к сети. Подношу к трансформатору. Почему лампа светится, ведь она не включена в электрическую сеть?

Ученик: Вокруг обмоток трансформатора существует электрическое поле, которое действует на заряды в витке силой, приводит заряды в движение, через лампу течет ток, лампа светится. Поле материально. Электрическое поле существует!

Дидактический момент: домашнее задание.
Прием: запись параграфов в дневник с доски.

§37, вопросы стр.102, §38, вопросы стр. 104. (Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Учебник для 10 кл. общеобразовательных учреждений. – 8-е изд. – М.: Просв., 2000).

VI ЭТАП

Дидактический момент: подведение итогов.

Прием: учет верных ответов учащихся за урок с последующим обобщением; выставление оценок.

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 05.06.2015 20:46 Просмотров: 13114

Переменные электрическое и магнитное поля при определённых условиях могут порождать друг друга. Они образуют электромагнитное поле, которое вовсе не является их совокупностью. Это единое целое, в котором эти два поля не могут существовать друг без друга.

Из истории

Опыт датского учёного Ханса Кристиана Эрстеда, проведенный в 1821 г., показал, что электрический ток порождает магнитное поле . В свою очередь, изменяющееся магнитное поле способно порождать электрический ток . Это доказал английский физик Майкл Фарадей , открывший в 1831 г. явление электромагнитной индукции. Он же является автором термина «электромагнитное поле».

В те времена в физике была принята концепция дальнодействия Ньютона . Считалось, что все тела действуют друг на друга через пустоту с бесконечно большой скоростью (практически мгновенно) и на любом расстоянии. Предполагалось, что и электрические заряды взаимодействуют подобным образом. Фарадей же считал, что пустоты в природе не существует, а взаимодействие происходит с конечной скоростью через некую материальную среду. Этой средой для электрических зарядов является электромагнитное поле . И оно распространяется со скоростью, равной скорости света .

Теория Максвелла

Объединив результаты предыдущих исследований, английский физик Джеймс Клерк Максвелл в 1864 г. создал теорию электромагнитного поля . Согласно ей, изменяющееся магнитное поле порождает изменяющееся электрическое поле, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Конечно, вначале одно из полей создаётся источником зарядов или токов. Но в дальнейшем эти поля уже могут существовать независимо от таких источников, вызывая появление друг друга. То есть, электрическое и магнитное поля являются составляющими единого электромагнитного поля . И всякое изменение одного из них вызывает появление другого. Эта гипотеза составляет основу теории Максвелла. Электрическое поле, порождаемое магнитным полем, является вихревым. Его силовые линии замкнуты.

Эта теория феноменологическая. Это означает, что она создана на основе предположений и наблюдений, и не рассматривает причину, вызывающую возникновение электрических и магнитных полей.

Свойства электромагнитного поля

Электромагнитное поле – это совокупность электрического и магнитного полей, поэтому в каждой точке своего пространства оно описывается двумя основными величинами: напряжённостью электрического поля Е и индукцией магнитного поля В .

Так как электромагнитное поле представляет собой процесс превращения электрического поля в магнитное, а затем магнитного в электрическое, то его состояние постоянно меняется. Распространяясь в пространстве и времени, оно образует электромагнитные волны. В зависимости от частоты и длины эти волны разделяют на радиоволны, терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма-излучение .

Векторы напряжённости и индукции электромагнитного поля взаимно перпендикулярны, а плоскость в которой они лежат, перпендикулярна направлению распространения волны.

В теории дальнодействия скорость распространения электромагнитных волн считалась бесконечной большой. Однако Максвелл доказал, что это не так. В веществе электромагнитные волны распространяются с конечной скоростью, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости вещества. Поэтому Теорию Максвелла называют теорией близкодействия.

Экспериментально теорию Максвелла подтвердил в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц. Он доказал, что электромагнитные волны существуют. Более того, он измерил скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, которая оказалась равной скорости света.

В интегральной форме этот закон выглядит так:

Закон Гаусса для магнитного поля

Поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю .

Физический смысл этого закона в том, что в природе не существует магнитных зарядов. Полюса магнита разделить невозможно. Силовые линии магнитного поля замкнуты.

Закон индукции Фарадея

Изменение магнитной индукции вызывает появление вихревого электрического поля.

,

Теорема о циркуляции магнитного поля

В этой теореме описаны источники магнитного пόля , а также сами поля, создаваемые ими.

Электрический ток и изменение электрической индукции порождают вихревое магнитное поле .

,

,

Е – напряжённость электрического поля;

Н – напряжённость магнитного поля;

В – магнитная индукция. Это векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на заряд величиной q, движущийся со скоростью v;

D – электрическая индукция, или электрическое смещение. Представляет собой векторную величину, равную сумме вектора напряжённости и вектора поляризации. Поляризация вызывается смещением электрических зарядов под действием внешнего электрического поля относительно их положения, когда такое поле отсутствует.

Δ – оператор Набла. Действие этого оператора на конкретное поле называют ротором этого поля.

Δ х Е = rot E

ρ – плотность стороннего электрического заряда;

j – плотность тока – величина, показывающая силу тока, протекающего через единицу площади;

с – скорость света в вакууме.

Изучением электромагнитного поля занимается наука, называемая электродинамикой . Она рассматривает его взаимодействие с телами, имеющими электрический заряд. Такое взаимодействие называется электромагнитным . Классическая электродинамика описывает только непрерывные свойства электромагнитного поля с помощью уравнений Максвелла. Современная квантовая электродинамика считает, что электромагнитное поле обладает также и дискретными (прерывными) свойствами. И такое электромагнитное взаимодействие происходит с помощью неделимых частиц-квантов, не имеющих массы и заряда. Квант электромагнитного поля называют фотоном .

Электромагнитное поле вокруг нас

Электромагнитное поле образуется вокруг любого проводника с переменным током. Источниками электромагнитных полей являются линии электропередач, электродвигатели, трансформаторы, городской электрический транспорт, железнодорожный транспорт, электрическая и электронная бытовая техника – телевизоры, компьютеры, холодильники, утюги, пылесосы, радиотелефоны, мобильные телефоны, электробритвы – словом, всё, что связано с потреблением или передачей электроэнергии. Мощные источники электромагнитных полей – телевизионные передатчики, антенны станций сотовой телефонной связи, радиолокационные станции, СВЧ-печи и др. А так как таких устройств вокруг нас довольно много, то электромагнитные поля окружают нас повсюду. Эти поля воздействуют на окружающую среду и человека. Нельзя сказать, что это влияние всегда негативное. Электрические и магнитные поля существовали вокруг человека давно, но мощность их излучения ещё несколько десятилетий назад был в сотни раз ниже нынешнего.

До определённого уровня электромагнитное излучение может быть безопасным для человека. Так, в медицине с помощью электромагнитного излучения низкой интенсивности заживляют ткани, устраняют воспалительные процессы, оказывают обезболивающее действие. Аппараты УВЧ снимают спазмы гладкой мускулатуры кишечника и желудка, улучшают обменные процессы в клетках организма, снижая тонус капилляров, понижают артериальное давление.

Но сильные электромагнитные поля вызывают сбои в работе сердечно-сосудистой, имунной, эндокринной и нервной систем человека, могут вызывать бессонницу, головные боли, стрессы. Опасность в том, что их воздействие практически незаметно для человека, а нарушения возникают постепенно.

Каким образом защититься от окружающего нас электромагнитного излучения? Полностью это сделать невозможно, поэтому нужно постараться свести к минимуму его воздействие. Прежде всего нужно расположить бытовые приборы таким образом, чтобы они находились подальше от тех мест, где мы находимся чаще всего. Например, не нужно садиться слишком близко к телевизору. Ведь чем дальше расстояние от источника электромагнитного поля, тем слабее оно становится. Очень часто мы оставляем прибор, включенным в розетку. Но электромагнитное поле исчезает, лишь когда прибор отключается от электрической сети.

Влияют на здоровье человека и естественные электромагнитные поля – космическое излучение, магнитное поле Земли.

Электрическое поле, согласно элементарным физическим представлениям, есть не что иное, как особый вид материальной среды, возникающий вокруг заряженных тел и влияющий на организацию взаимодействия между такими телами с определенной конечной скоростью и в строго ограниченном пространстве.

Уже давно доказано, что электрическое поле может возникать как у неподвижных, так и у находящихся в движении тел. Основным признаком наличия этого является его воздействие на

Одной из главных количественных является понятие «напряженность поля». В числовом выражении этот термин означает отношение силы, которая действует на пробный заряд, непосредственно к количественному выражению этого заряда.

То, что заряд пробный, означает, что он сам никакого участия в создании данного поля не принимает, а его величина настолько мала, что не ведет ни к каким искажениям исходных данных. Напряженность поля измеряется в В/м, что условно равно Н/Кл.

Известный английский исследователь М. Фарадей ввел в научный оборот метод графического изображения электрического поля. По его мнению, этот особый вид материи на чертеже должен изображаться в виде непрерывных линий. Они впоследствии стали называться «линии напряженности электрического поля», а их направление, исходя из основных физических законов, совпадает с направлением напряженности.

Силовые линии необходимы, чтобы показать такие качественные характеристики напряженности, как густота или плотность. При этом плотность линий напряженности зависит от их количества на единицу поверхности. Создаваемая картина силовых линий позволяет определить количественное выражение напряженности поля на отдельных его участках, а также узнать, каким образом она изменяется.

Достаточно любопытными свойствами обладает электрическое поле диэлектриков. Как известно, диэлектрики – это вещества, в которых практически нет свободных заряженных частиц, поэтому, как следствие, они не способны проводить К таким веществам следует отнести в первую очередь все газы, керамику, фарфор, дистиллированную воду, слюду и т.д.

Для того чтобы определить напряженность поля в диэлектрике, следует пропустить через него электрическое поле. Под его действием связанные заряды в диэлектрике начинают смещаться, однако покинуть пределы своих молекул они не в состоянии. Направленность смещения подразумевает, что положительно заряженные смещаются вдоль направления электрического поля, а отрицательно заряженные – против. В результате этих манипуляций внутри диэлектрика возникает новое электрическое поле, направление которого прямо противоположно внешнему. Это внутреннее поле заметно ослабляет внешнее, следовательно, напряженность последнего падает.

Напряженность поля является его важнейшей количественной характеристикой, которая прямо пропорционально той силе, с которой этот особый вид материи действует на внешний электрический заряд. Несмотря на то, что увидеть эту величину невозможно, с помощью чертежа силовых линий напряженности можно составить представление о ее плотности и направленности в пространстве.

Электрическое поле – Класс!ная физика

Электрическое поле

Подробности
Просмотров: 456

«Физика – 10 класс»

В какой теории — дальнодействия или близкодействия — более полно выражается идея материальной связи явлений и объектов?

После длительной борьбы теория близкодействия одержала окончательную победу. Расскажем кратко, как это произошло, а также напомним, что такое электрическое поле.

Идеи Фарадея.

Решительный поворот к представлению о близкодействии был сделан великим английским учёным Майклом Фарадеем, а окончательно завершён английским учёным Джеймсом Максвеллом.

По теории дальнодействия один заряд непосредственно чувствует присутствие другого. При перемещении одного из зарядов, например А (рис. 14.8), сила, действующая на другой заряд — В, мгновенно изменяет своё значение. Причём ни с самим зарядом В, ни с окружающим его пространством никаких изменений не происходит.

Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое поле.

Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает. Первоначально эта идея выражала лишь уверенность Фарадея в том, что действие одного тела на другое через пустоту невозможно.

Доказательств существования поля не было. Такие доказательства и нельзя получить, исследуя лишь взаимодействие неподвижных зарядов. Успех к теории близкодействия пришёл после изучения электромагнитных взаимодействий движущихся заряженных частиц. Вначале было доказано существование переменных во времени полей и только после этого был сделан вывод о реальности электрического поля неподвижных зарядов.

Скорость распространения электромагнитных взаимодействий.

Основываясь на идеях Фарадея, Максвелл сумел теоретически доказать, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью.

Это означает, что если слегка передвинуть заряд А (см. рис. 14.8), то сила, действующая на заряд В, изменится, но не в то же мгновение, а лишь спустя некоторое время:

где АВ — расстояние между зарядами, ас — скорость распространения электромагнитных взаимодействий, которая равна скорости света в вакууме, т. е. примерно 300 000 км/с. При перемещении заряда А электрическое поле вокруг заряда В изменится спустя время t. Значит, между зарядами в вакууме происходит какой-то процесс, в результате которого взаимодействие между ними распространяется с конечной скоростью. Правда, эксперимент по проверке равенства (14.6) при перемещении зарядов трудно осуществить из-за большого значения скорости с. Но в этом сейчас, после изобретения радио, нет нужды, электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее.

Сейчас вы можете прочитать в газетах, что радиоволны от космической станции, приближающейся к Венере, доходят до Земли за время более чем 4 мин. Станция уже может сгореть в атмосфере планеты, а посланные ею радиоволны еще долго будут блуждать в пространстве.

Что такое электрическое поле?

Мы знаем, что электрическое поле существует реально: его свойства можно исследовать опытным путём. Но мы не можем сказать, из чего это поле состоит. Здесь мы доходим до границы того, что известно науке.

Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые, в свою очередь, состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из элементарных частиц. Более же простых образований, чем элементарные частицы, мы не знаем. Так же обстоит дело и с электрическим полем: ничего более простого, чем поле, мы не знаем.

Электрическое поле — это особое состояние материи, которое нельзя обнаружить нашими органами чувств. Его можно обнаружить, лишь помещая в него электрические заряды.

При изучении электрического поля мы сталкиваемся с особым видом материи, движение которой не подчиняется законам механики Ньютона. С открытием электрического поля впервые за всю историю науки появилась глубокая идея: существуют различные виды материи и каждому из них присущи свои свойства.

Главное свойство электрического поля — действие его на электрические заряды с некоторой силой.

По действию на заряд устанавливают факт существования поля, распределение его в пространстве, изучают все его характеристики.

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, называют электростатическим.

Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создаётся только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано.

Если поле изменяется со временем, то такое поле называют переменным.

Многие свойства статических и переменных полей совпадают. Однако имеются между ними и существенные различия. Говоря о свойствах поля, мы будем называть это поле просто электрическим, если данное свойство в равной мере присуще как статическим, так и переменным полям.

Мы уже встречались с полем силы тяжести и полем сил тяготения. На тело, находящееся в поле силы тяжести и обладающее массой, вблизи поверхности земли действует сила тяжести аналогично тому, как на заряд, находящийся в электростатическом поле, действует сила Кулона. На спутник, обращающийся на орбите вокруг Земли, действует сила тяготения, т. е. можно сказать, что он находится в поле тяготения.

Источник: «Физика – 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский



Электростатика – Физика, учебник для 10 класса – Класс!ная физика

Что такое электродинамика — Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряд — Закон Кулона. Единица электрического заряда — Примеры решения задач по теме «Закон Кулона» — Близкодействие и действие на расстоянии — Электрическое поле — Напряжённость электрического поля. Силовые линии — Поле точечного заряда и заряженного шара. Принцип суперпозиции полей — Примеры решения задач по теме «Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей» — Проводники в электростатическом поле — Диэлектрики в электростатическом поле — Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле — Потенциал электростатического поля и разность потенциалов — Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов. Эквипотенциальные поверхности — Примеры решения задач по теме «Потенциальная энергия электростатического поля. Разность потенциалов» — Электроёмкость. Единицы электроёмкости. Конденсатор — Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов — Примеры решения задач по теме «Электроёмкость. Энергия заряженного конденсатора»

Постоянное электромагнитное поле

Постоянным электромагнитным полем мы называем поле, не зависящее от времени. Очевидно, что потенциалы постоянного поля можно выбрать так, чтобы они были функциями только от координат, но не от времени. Постоянное магнитное поле по-прежнему равно H=rotA. Постоянное же электрическое поле

E = − grad φ.                                     (19.1)

Таким образом, постоянное электрическое поле определяется только скалярным потенциалом, а магнитное — векторным потенциалом.

Мы видели в предыдущем параграфе, что потенциалы поля определены не однозначно. Легко, однако, убедиться в том, что если описывать постоянное электромагнитное поле с помощью не зависящих от времени потенциалов, то к скалярному потенциалу можно прибавить, не изменяя поля, лишь произвольную постоянную (не зависящую ни от координат, ни от времени). Обычно на φ накладывают еще дополнительное условие, требуя, чтобы он имел определенное значение в определенной точке пространства; чаще всего выбирают φ так, чтобы он был равен нулю на бесконечности. Тогда и упомянутая произвольная постоянная становится определенной, и скалярный потенциал постоянного поля, таким образом, становится вполне однозначным.

Напротив, векторный потенциал по-прежнему не однозначен даже для постоянного электромагнитного поля; к нему можно прибавить градиент любой функции координат.

Определим, чему равна энергия заряда в постоянном электромагнитном поле. Если поле постоянно, то и функция Лагранжа для заряда не зависит явно от времени. Как известно, в этом случае энергия сохраняется, совпадая с функцией Гамильтона.

Согласно (16.6) имеем

= + .                             (19.2)

Таким образом, вследствие наличия поля к энергии частицы прибавляется член — потенциальная энергия заряда в поле. Отметим существенное обстоятельство, что энергия зависит только от скалярного, но не от векторного потенциала. Другими словами, магнитное поле не влияет на энергию зарядов; энергию частицы может изменить только электрическое поле. Это связано с тем, что магнитное поле, в противоположность электрическому, не производит над зарядом работы.

Если напряженность поля во всех точках пространства одинакова, то поле называют однородным. Скалярный потенциал однородного электрического поля может быть выражен через напряженность поля согласно равенству

φ = −Er.                                             (19.3)

Действительно, при E=const имеем grad(Er)=(E)r=E.

Векторный же потенциал однородного магнитного поля выражается через напряженность этого поля H в виде

A = [Hr].                                          (19.4)

Действительно, при H=const находим с помощью известных формул векторного анализа:

rot [Hr] = H div r − (H)r − 2H

(напомним, что div r=3).

Векторный потенциал однородного магнитного поля можно выбрать и иначе, например, в виде

Ax = −HyAy = Az = 0                              (19.5)

(ось z выбрана вдоль направления H). Легко убедиться, что и при таком выборе A имеет место равенство H=rotA. В соответствии с формулами преобразования (18.3) потенциалы (19.4) и (19.5) отличаются друг от друга градиентом некоторой функции: (19.5) получается из (19.4) прибавлением f, где f=−xyH/2.

Электрическое поле – Energy Education

Электрическое поле – один из фундаментальных результатов электромагнетизма, созданный статическим (стационарным) зарядом или динамическим (изменяющимся во времени) магнитным полем. Электрическое поле определяется как сила на единицу заряда, определяемая уравнением:

[math] E = \ frac {F} {q} [/ math],

где [math] q [/ math] – это заряд в кулонах (Кл). Таким образом, когда заряд находится в присутствии электрического поля, он испытывает силу, заставляющую заряженную частицу двигаться, что можно получить, переписав приведенное выше уравнение так, чтобы:

[математика] \ vec {F} = q \ vec {E} [/ математика].2 [/ math] в простых случаях. Для сложных распределений заряда электрическое поле может иметь несколько различных соотношений, см. Галерею рисунков ниже (для более полного обсуждения см. Гиперфизику.

Однако есть одно существенное отличие: гравитационные поля ограничены притяжением (притягиванием объектов вместе), тогда как электрические поля могут быть либо притягивающими, либо отталкивающими, в зависимости от заряда объекта в поле. По определению, положительный заряд в приведенном выше уравнении силы будет испытывать силу отталкивания (он будет двигаться от источника поля), а отрицательный заряд будет ощущать силу притяжения.

Из-за этой притягивающей / отталкивающей природы электрических полей существует обозначение для их рисования. Линии электрического поля положительного стационарного заряда направлены радиально от него (перпендикулярные линии от его поверхности во всех направлениях), а линии отрицательного стационарного заряда направлены радиально к нему.

  • Линии электрического поля
  • Рис. 1. Отрицательный заряд с линиями поля, направленными в сторону . [2]

  • Рисунок 2.Показано, что взаимодействие положительных и отрицательных силовых линий электрического поля является привлекательным. [3]

  • Рис. 3. Взаимодействие двух положительных силовых линий электрического поля, показанное как отталкивающее. [4]

Для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. ↑ Р. Чабай и Б. Шервуд, «Электрическое поле диполя», в «Материя и взаимодействия», 3-е изд., Хобокен, штат Нью-Джерси: Wiley, 2011, глава 14, раздел 6, стр. 556-560
  2. ↑ [GFDL (http: // www.gnu. org/copyleft/fdl.html) или CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)] через Wikimedia Commons
  3. ↑ «Дипольные электрические многолинии VFPt» Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:VFPt_dipole_electric_manylines.svg#mediaviewer/File:VFPt_dipole_electric_manylines.svg
  4. ↑ «Плата за VFPt плюс плюс» Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons – http://commons.wikimedia.org/wiki/File:VFPt_charges_plus_plus.svg#mediaviewer/File:VFPt_charges_plus_plus.svg

Электрическое поле и движение заряда – Видео и стенограмма урока

Электрическое поле и движение

Одна важная вещь, о которой нужно помнить, – это не путать электрические поля с движением зарядов. Если я выпущу положительный тестовый заряд из состояния покоя в каком-либо положении, заряд действительно будет следовать за линиями электрического поля. Но на самом деле силовые линии говорят вам о силе, которую ощущает заряд. При начальной скорости, равной нулю, любой объект будет двигаться в направлении силы.Но так бывает не всегда.

Например, если ваш положительный тестовый заряд движется на север, а вы входите в поле, указывающее на запад, заряд будет изгибаться по кругу, неопределенно северо-восточному. В конце концов он будет следовать за линиями поля и двигаться на запад, но сначала он может двигаться в любом направлении в зависимости от своей начальной скорости.

Чистая сила, приложенная к объекту, создает ускорение. Таким образом, силовые линии действительно только говорят вам, в каком направлении направлена ​​сила (и, следовательно, вектор ускорения).

Уравнение

Есть два основных уравнения для электрического поля. Одно из них – общее определение, которое гласит, что это сила на единицу заряда. Здесь E – напряженность электрического поля в ньютонах на кулон, F – сила, действующая на заряд q , измеренная в ньютонах, а q – это заряд, который вы вкладываете в поле, измеренный в кулонах. Таким образом, если вы поместите в поле заряд кулонов +2 вместо заряда +1 кулонов, оно почувствует вдвое большую силу.

Общее уравнение для электрического поля

Второе уравнение говорит вам об электрическом поле, которое создает точечный заряд. Заряд q создаст собственное электрическое поле. И чем ближе вы к нему, тем сильнее будет напряженность электрического поля. В этом уравнении E – это снова напряженность электрического поля, q – размер заряда, создающего поле на этот раз, эпсилон-ноль – постоянная, которая всегда равна 8.-12, а r – это расстояние, на котором вы находитесь от этого заряда q .

Уравнение для расчета электрического поля, создаваемого точечным зарядом

Итак, используя второе уравнение, мы можем выяснить, что создают заряды электрического поля. И мы можем использовать первое уравнение, чтобы вычислить силу, которую будет ощущать второй заряд, помещенный в это электрическое поле, или любое другое электрическое поле, если на то пошло.-17 ньютонов.

Вот и все – ответы есть.

Краткое содержание урока

Электрическое поле – это электрическая сила на единицу заряда. Или, другими словами, это сила, которую может почувствовать положительный испытательный заряд в 1 кулон. Чтобы вычислить напряженность электрического поля в определенном месте, все, что вам нужно сделать, это взять заряд +1 кулон, поместить его в это место и измерить силу, которую он ощущает. Электрическое поле измеряется в ньютонах на кулон (Н / Кл).

Электрические поля могут быть представлены схематически с использованием линий электрического поля или векторов электрического поля.Например, электрическое поле вокруг точечного положительного заряда выглядит так. А электрическое поле вокруг точечного отрицательного заряда выглядит так. Это показывает направление силы, которую будет ощущать положительный тестовый заряд. В случае силовых линий ближе друг к другу – значит сильнее. Для векторов поля чем больше, тем сильнее.

Одна важная вещь, о которой следует соблюдать осторожность, – это не путать электрические поля с движением зарядов. На самом деле силовые линии говорят вам о силе, которую ощущает один заряд, и, следовательно, об ускорении, которому он будет подвергаться.Однако точное движение будет зависеть от начального движения – было ли оно уже в движении, или в состоянии покоя и т. Д.

Есть два основных уравнения для электрического поля. Одно из них – общее определение, которое гласит, что это сила на единицу заряда. Здесь E – напряженность электрического поля в ньютонах на кулон, F – сила, действующая на заряд q , измеренная в ньютонах, а q – это заряд, который вы вкладываете в поле, измеренный в кулонах.

Второе уравнение говорит вам об электрическом поле, которое создает точечный заряд. -12, а r – это расстояние, на котором вы находитесь от этого заряда q .

Результаты обучения

По завершении этого урока вы должны уметь:

  • Объяснять, что такое электрические поля и как они создаются
  • Вспомните, что такое вектор
  • Назовите два уравнения для расчета электрических полей
  • Вычислить значение общего электрического поля или электрического поля, создаваемого точечным зарядом.

1.Введение в электромагнитные поля

1. Введение в электромагнитные поля
  • 1.1 Что такое электромагнитные поля?
  • 1.2 Как была проведена повторная оценка опасности электромагнитных полей для здоровья?
1.1 Что такое электромагнитные поля?

Электромагнитные поля представляют собой сочетание невидимого электрического и магнитные силовые поля. Они порождаются природными явлениями, такими как Магнитное поле Земли, но также в результате деятельности человека, в основном за счет использования электричество.

Мобильные телефоны, линии электропередач и компьютерные экраны являются примерами. оборудования, которое производит электромагнитные поля.

Самый рукотворный электромагнитные поля меняют их направление через равные промежутки времени, изменяя с высоких радиочастот (мобильные телефоны) через промежуточных частот (компьютер экранов) до предельно низких частот (мощность линий).

Термин статический относится к полям, которые не изменяются со временем (т.е. с частотой 0 Гц). Статический магнитные поля используются в медицинские изображения и генерируются приборами, использующими постоянный ток. Более…

Типовые источники электромагнитных полей
Диапазон частот Частоты Некоторые примеры источников облучения
Статический 0 Гц видеодисплеев; МРТ (медицинский изображения) и другие диагностические или научные приборостроение; промышленный электролиз; сварка устройства
ELF [Чрезвычайно низкие частоты] 0-300 Гц линий электропередачи; внутренние распределительные сети; одомашненный Техника; электрические двигатели в автомобилях, поездах и трамваи; сварочные аппараты
IF [Промежуточные частоты] 300 Гц – 100 кГц видеодисплеев; противоугонные устройства в магазинах; системы контроля доступа без помощи рук, кард-ридеры и металлоискатели; МРТ; сварка устройства
RF [Радиочастоты] 100 кГц – 300 ГГц мобильных телефонов; радиовещание и телевидение; микроволновые печи; радиолокационные и радиопередатчики; портативные радиоприемники; МРТ

Источник и ©: Возможное влияние электромагнитных полей (ЭМП) на здоровье человека

1.
2 Как была переоценена опасность электромагнитных полей для здоровья?

Обзор соответствующих научных отчетов был проведен с акцент на статьях, опубликованных в 2007 и 2008 годах, и исследованиях считается релевантным, комментируются в мнении.Области, где литературы особенно мало. дается объяснение, почему результаты некоторых исследований не добавить полезную информацию в базу. Эта оценка оценивает оба возможных воздействия на группы людей, у которых подвергся воздействию электромагнитные поля в их повседневная жизнь (эпидемиологические данные) и потенциальные эффекты, наблюдаемые в лабораторных экспериментах, проводимых на добровольцев, животных и культуры клеток (экспериментальные свидетельство).

Основываясь на этих совокупных доказательствах, оценка оценивает существует ли причинно-следственная связь между воздействием электромагнитные поля и некоторые неблагоприятные последствия для здоровья. Ответ на этот вопрос не обязательно однозначный: да. или нет, но выражает весомость доказательства ссылки между экспозицией и эффектом.Если такая ссылка найдена, оценка риска насколько сильно воздействие на здоровье и насколько велик риск для здоровья будет для разных уровней воздействия и схем воздействия (зависимость доза-реакция). Характер и степень выделяются неопределенности и то, как электромагнитные поля могут вызывать эффекты (вероятный механизм) оцениваются. Подробнее …

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: электрические поля


Ученые поняли, почему силы действуют именно так, как когда-либо соприкасаются предметы. Их смущала идея, что силы действуют на расстоянии, не касаясь друг друга. Подумайте о таких примерах, как гравитационная сила, электрическая сила и магнитная сила. Чтобы помочь им объяснить происходящее, они использовали идею « поле ».Они представили, что вокруг объекта есть область, и все, что входит в нее, ощущает силу. Мы говорим, например, что Луна имеет вокруг себя гравитационное поле , и если вы приблизитесь к Луне, оно притянет вас к своей поверхности. Электрическое поле описывает необычную область возле любого электрически заряженного объекта. Ученые не используют слово «фанки», но оно работает. Его также можно было бы назвать электростатическим полем . Любой другой заряд, попавший в эту область, будет ощущать силу, и исходный объект также почувствует эту силу (Третий закон Ньютона). Это похоже на паука, сидящего в центре паутины.

Нормальное поле – это вектор, представленный стрелками. Гравитационное поле Земли (или любой планеты) можно было бы нарисовать в виде стрелок, указывающих на землю. Вектор поля показывает направление воздействия на объект, входящий в поле. Гравитация действует вниз.

Для электрического поля все немного сложнее, поскольку есть два вида зарядов, и некоторые комбинации притягивают , а другие отталкивают .Чтобы быть в согласии друг с другом, физики решили, что они всегда будут использовать положительные заряды для определения направления действия поля. Итак, если центральный заряд был положительным, и вы поместили рядом с ним другой положительный заряд, этот второй заряд будет отталкиваться наружу. Таким образом, векторы поля центрального положительного заряда направлены наружу. Если центральный заряд отрицательный, положительный заряд, расположенный поблизости, будет притягиваться к центральному заряду, поэтому векторы поля для центрального отрицательного заряда направлены внутрь.

Поскольку поля напрямую связаны с силами, которые они проявляют, их сила уменьшается с расстоянием и увеличивается с размером заряда, создающего поле. Когда вы кладете заряды рядом друг с другом, их поля взаимодействуют и меняют форму. Это приводит к изменению PE объектов и генерирует силы отталкивания или притяжения.

Электрические поля также могут создаваться магнитными полями. Магнетизм и электричество всегда связаны. В следующем разделе мы поговорим о магнитных полях.




Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.

18.3 Электрическое поле | Texas Gateway

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Рассчитывать напряженность электрического поля
  • Создание и интерпретация чертежей электрических полей
Основные термины раздела
электрическое поле пробный заряд

Возможно, вы слышали о силовом поле в научно-фантастических фильмах, где такие поля применяют силы в определенных позициях в космосе, чтобы держать злодея в ловушке или защищать космический корабль от вражеского огня. Концепция поля очень полезна в физике, хотя несколько отличается от того, что вы видите в фильмах.

Поле – это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Например, гравитационное поле, окружающее Землю и все другие массы, представляет собой гравитационную силу, которая возникла бы, если бы другая масса была помещена в заданную точку внутри поля.Майкл Фарадей, английский физик XIX века, предложил концепцию электрического поля. Если вы знаете электрическое поле, вы можете легко вычислить силу (величину и направление), приложенную к любому электрическому заряду, который вы помещаете в это поле.

Электрическое поле создается электрическим зарядом и сообщает нам силу на единицу заряда во всех точках пространства вокруг распределения заряда. Распределение заряда может быть единственной точечной зарядкой; распределение заряда, скажем, по плоской пластине; или более сложное распределение заряда. Электрическое поле распространяется в пространство вокруг распределения заряда. Теперь рассмотрите возможность размещения пробного заряда в полевых условиях. Пробный заряд – это положительный электрический заряд, заряд которого настолько мал, что не вызывает значительного возмущения зарядов, создающих электрическое поле. Электрическое поле действует на пробный заряд в заданном направлении. Приложенная сила пропорциональна заряду испытательного заряда. Например, если мы удвоим заряд испытательного заряда, сила, приложенная к нему, удвоится.Математически, говоря, что электрическое поле – это сила, приходящаяся на единицу заряда, записывается как

18,15. E → = F → qtestE → = F → qtest

, где мы рассматриваем только электрические силы. Обратите внимание, что электрическое поле – это векторное поле, которое направлено в том же направлении, что и сила, действующая на положительный тестовый заряд. Единицы электрического поля – N / C.

Если электрическое поле создается точечным зарядом или сферой с однородным зарядом, то величина силы между этим точечным зарядом Q и пробным зарядом определяется законом Кулона

F = k | Qqtest | r2F = k | Qqtest | r2

где используется абсолютное значение, потому что мы учитываем только величину силы. Величина электрического поля тогда равна

18,16. E = Fqtest = k | Q | r2.E = Fqtest = k | Q | r2.

Это уравнение дает величину электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q . Расстояние r в знаменателе – это расстояние от точечного заряда Q или от центра сферического заряда до интересующей точки.

Если тестовый заряд убрать из электрического поля, электрическое поле все еще существует. Чтобы создать трехмерную карту электрического поля, представьте, что тестовый заряд размещается в разных местах поля.В каждом месте измерьте силу, действующую на заряд, и используйте векторное уравнение E → = F → / qtestE → = F → / qtest для расчета электрического поля. Нарисуйте стрелку в каждой точке, куда вы помещаете тестовый заряд, чтобы обозначить силу и направление электрического поля. Длина стрелок должна быть пропорциональна напряженности электрического поля. Если соединить эти стрелки вместе, получатся линии. На рисунке 18.18 показано изображение трехмерного электрического поля, созданного положительным зарядом.

Рисунок 18.18 Трехмерное представление электрического поля, создаваемого положительным зарядом.

Простое рисование силовых линий электрического поля в плоскости, пересекающей заряд, дает двумерные карты электрического поля, показанные на рис. 18.19. Слева – электрическое поле, созданное положительным зарядом, а справа – электрическое поле, созданное отрицательным зарядом.

Обратите внимание, что линии электрического поля направлены от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.Таким образом, положительный тестовый заряд, помещенный в электрическое поле положительного заряда, будет отталкиваться. Это согласуется с законом Кулона, который гласит, что одинаковые заряды отталкивают друг друга. Если мы поместим положительный заряд в электрическое поле отрицательного заряда, положительный заряд будет притягиваться к отрицательному заряду. Обратное верно для отрицательных тестовых зарядов. Таким образом, направление силовых линий электрического поля согласуется с тем, что мы находим с помощью закона Кулона.

Уравнение E = k | Q | / r2E = k | Q | / r2 говорит, что электрическое поле становится сильнее по мере приближения к заряду, который его генерирует.Например, на расстоянии 2 см от заряда Q ( r = 2 см) электрическое поле в четыре раза сильнее, чем на расстоянии 4 см от заряда ( r = 4 см). Снова посмотрев на рис. 18.18 и рис. 18.19, мы видим, что силовые линии электрического поля становятся более плотными по мере приближения к заряду, который его генерирует. Фактически, плотность силовых линий электрического поля пропорциональна напряженности электрического поля!

Рисунок 18.19 Силовые линии электрического поля от двух точечных зарядов. Красная точка слева несет заряд +1 нКл, а синяя точка справа несет заряд –1 нКл.Стрелки указывают направление движения положительного тестового заряда. Линии поля становятся более плотными по мере приближения к точечному заряду.

Карты электрического поля могут быть составлены для нескольких зарядов или для более сложных распределений зарядов. Электрическое поле из-за нескольких зарядов можно найти, сложив электрическое поле от каждого отдельного заряда. Поскольку эта сумма может быть только одним числом, мы знаем, что только одна линия электрического поля может проходить через любую заданную точку. Другими словами, силовые линии электрического поля не могут пересекать друг друга.

На рис. 18.20 (а) показана двумерная карта электрического поля, создаваемого зарядом + q и ближайшим зарядом – q . Трехмерная версия этой карты получается вращением этой карты вокруг оси, проходящей через оба заряда. Положительный испытательный заряд, помещенный в это поле, будет испытывать силу в направлении силовых линий в его местоположении. Таким образом, он будет отталкиваться от положительного заряда и притягиваться к отрицательному. Рисунок 18.20 (b) показано электрическое поле, создаваемое двумя зарядами – q . Обратите внимание, как линии поля имеют тенденцию отталкиваться друг от друга и не перекрываются. Положительный тестовый заряд, помещенный в это поле, будет притягиваться к обоим зарядам. Если вы находитесь далеко от этих двух зарядов, где «далеко» означает намного дальше, чем расстояние между зарядами, электрическое поле выглядит как электрическое поле от одного заряда −2 q .

Рис. 18.20 (a) Электрическое поле, создаваемое положительным точечным зарядом (слева) и отрицательным точечным зарядом той же величины (справа).(б) Электрическое поле, создаваемое двумя равными отрицательными зарядами.

Виртуальная физика

Исследование электрического поля

Это моделирование показывает электрическое поле, создаваемое зарядами, которые вы размещаете на экране. Начните с установки верхнего флажка на панели параметров справа, чтобы отобразить электрическое поле. Перетаскивайте заряды из ведер на экран, перемещайте их и наблюдайте за электрическим полем, которое они образуют. Чтобы более точно увидеть величину и направление электрического поля, перетащите датчик электрического поля или датчик E-field из нижнего ведра и перемещайте его по экрану.

Проверка захвата

Если поместить на экран положительный и отрицательный заряды, где будет нулевое электрическое поле?

  1. Электрическое поле равно нулю вблизи положительного заряда.
  2. Электрическое поле равно нулю вблизи отрицательного заряда.
  3. Электрическое поле равно нулю на полпути между двумя зарядами.
  4. Электрическое поле равно нулю на расстоянии одной четвертой от положительного заряда.

Watch Physics

Электростатика (часть 2): интерпретация электрического поля

В этом видео объясняется, как рассчитать электрическое поле точечного заряда и как интерпретировать карты электрического поля в целом. Обратите внимание, что лектор использует d для расстояния между частицами вместо r . Обратите внимание, что точечные заряды бесконечно малы, поэтому все их заряды сосредоточены в одной точке. Когда рассматриваются более крупные заряженные объекты, расстояние между ними необходимо измерять между центрами объектов.

Проверка захвата

Верно или неверно – если точечный заряд имеет линии электрического поля, направленные внутрь, заряд должен быть положительным.

  1. правда
  2. ложный

Рабочий пример

Какая плата?

Посмотрите на рисунок электрического поля на рис. 18.22. Какова относительная сила и знак трех зарядов?

Рисунок 18.22 Карта электрического поля от трех заряженных частиц.

СТРАТЕГИЯ

Мы знаем, что электрическое поле исходит от положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом. Мы также знаем, что количество силовых линий электрического поля, которые касаются заряда, пропорционально заряду. Заряд 1 имеет 12 выходящих полей. Заряд 2 имеет шесть линий поля, входящих в него. Заряд 3 имеет 12 линий поля, входящих в него.

Решение

Силовые линии электрического поля исходят из заряда 1, так что это положительный заряд. Линии электрического поля переходят в заряды 2 и 3, поэтому они являются отрицательными зарядами. Отношение зарядов q1: q2: q3 = + 12: −6: −12q1: q2: q3 = + 12: −6: −12. Таким образом, величина зарядов 1 и 3 вдвое больше, чем у заряда 2.

Обсуждение

Хотя мы не можем определить точный заряд каждой частицы, мы можем получить много информации из электрического поля о величине и знаке зарядов, а также о том, где сила на пробном заряде будет наибольшей (или наименьшей).

Рабочий пример

Электрическое поле от дверной ручки

Дверная ручка, которую можно принять за сферический металлический проводник, приобретает заряд статического электричества q = -1,5 нКл. Q = -1,5 нКл. Что такое электрическое поле 1.0 см перед дверной ручкой? Диаметр дверной ручки 5,0 см.

СТРАТЕГИЯ

Поскольку дверная ручка является проводником, весь заряд распределяется по внешней поверхности металла. Кроме того, поскольку предполагается, что дверная ручка имеет идеально сферическую форму, заряд на поверхности распределен равномерно, поэтому мы можем рассматривать дверную ручку так, как если бы весь заряд находился в центре дверной ручки. Справедливость этого упрощения будет доказана в более позднем курсе физики.Теперь нарисуйте дверную ручку и определите свою систему координат. Используйте + x + x, чтобы указать направление наружу, перпендикулярное двери, с x = 0x = 0 в центре дверной ручки (как показано на рисунке ниже).

Если диаметр дверной ручки 5,0 см, ее радиус составляет 2,5 см. Нам нужно знать электрическое поле на расстоянии 1,0 см от поверхности дверной ручки, что составляет расстояние r = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см от центра дверной ручки. Мы можем использовать уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2, чтобы найти величину электрического поля.Направление электрического поля определяется знаком заряда, который в данном случае отрицательный.

Решение

Вставив заряд Q = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 CQ = -1,5 нКл = -1,5 · 10-9 Кл и расстояние r = 3,5 см = 0,035 mr = 3,5 см = 0,035 м в уравнение E = k | Q | r2E = k | Q | r2 дает

18,17E = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 × 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 × 104 N / CE = k | Q | r2 = (8,99 × 109 Н · м2 / C2) | −1,5 · 10−9 C | (0,035 м) 2 = 1,1 · 104 N / C.

Поскольку заряд отрицательный, силовые линии электрического поля направлены к центру дверной ручки..

Обсуждение

Это похоже на огромное электрическое поле. К счастью, электрическое поле примерно в 100 раз сильнее (3 × 106 Н / К3 × 106 Н / К), чтобы вызвать разрушение воздуха и провести электричество. Кроме того, вес взрослого человека составляет около 70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н70 кг × 9,8 м / с2≈700 Н, так почему бы вам не почувствовать силу протонов в руке, когда вы тянетесь к дверной ручке? ? Причина в том, что ваша рука содержит равное количество отрицательного заряда, который отталкивает отрицательный заряд дверной ручки. Из-за поляризации в вашей руке может развиться очень небольшая сила, но вы никогда этого не заметите.

Пересмотр концепции поля – College Physics: OpenStax

Контактные силы, например, между бейсбольным мячом и битой, в малом масштабе объясняются взаимодействием зарядов в атомах и молекулах в непосредственной близости. Они взаимодействуют посредством сил, которые включают в себя кулоновскую силу . Действие на расстоянии – это сила между объектами, которые находятся недостаточно близко, чтобы их атомы могли «прикоснуться».То есть они разделены более чем несколькими атомными диаметрами.

Например, заряженный резиновый гребешок притягивает нейтральные кусочки бумаги на расстоянии посредством кулоновской силы. Очень полезно представить объект, окруженный в пространстве силовым полем . Силовое поле переносит силу на другой объект (называемый тестовым объектом) на некотором расстоянии.

Поле – это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. 2} [/ latex], для точечного заряда (частица с зарядом [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex]), действующего на пробный заряд [латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex ] на расстоянии [латекс] \ boldsymbol {r} [/ latex] (см. [ссылка]). И величина, и направление кулоновского силового поля зависят от [латекса] \ boldsymbol {Q} [/ latex] и тестового заряда [латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex].

Рис. 1. Кулоновское силовое поле из-за положительного заряда Q показано действующим на два разных заряда.Оба заряда находятся на одинаковом расстоянии от Q . (a) Поскольку q 1 положительное, сила F 1 , действующая на него, является отталкивающей. (b) Заряд q 2 отрицателен и по величине больше, чем q 1 , поэтому сила F 2 , действующая на него, привлекательна и сильнее, чем Факс 1 . Таким образом, кулоновское силовое поле не является уникальным в любой точке пространства, поскольку оно зависит от испытательных зарядов q 1 и q 2 , а также заряда Q .

Для упрощения мы предпочли бы иметь поле, которое зависит только от [latex] \ boldsymbol {Q} [/ latex], а не от тестового заряда [latex] \ boldsymbol {q} [/ latex]. Электрическое поле определяется таким образом, что оно представляет только заряд, его создающий, и уникально в каждой точке пространства.В частности, электрическое поле [латекс] \ boldsymbol {E} [/ latex] определяется как отношение кулоновской силы к испытательному заряду:

[латекс] \ boldsymbol {E =} [/ latex] [латекс] \ boldsymbol {\ frac {F} {q}} [/ latex],

где [латекс] \ boldsymbol {F} [/ latex] – электростатическая сила (или кулоновская сила), действующая на положительный тестовый заряд
[латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex]. Подразумевается, что [латекс] \ boldsymbol {E} [/ latex] находится в том же направлении, что и
[латекс] \ boldsymbol {F} [/ latex].Также предполагается, что [латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex] настолько мал, что не меняет распределение заряда, создающее электрическое поле. Единицы электрического поля – ньютоны на кулон (Н / Кл). Если электрическое поле известно, то электростатическая сила, действующая на любой заряд [латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex], просто получается умножением заряда на электрическое поле, или [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {F} = q \ textbf {E}} [/ latex]. Рассмотрим электрическое поле, создаваемое точечным зарядом [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex].2}} [/ латекс]

Таким образом, электрическое поле зависит только от заряда [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex] и расстояния [латекс] \ boldsymbol {r} [/ latex]; он полностью не зависит от тестового заряда [латекс] \ boldsymbol {q} [/ latex].

Пример 1: Расчет электрического поля точечного заряда

Вычислите силу и направление электрического поля [латекс] \ boldsymbol {E} [/ latex], возникающего из-за точечного заряда 2,00 нКл (нано-кулонов) на расстоянии 5,00 мм от заряда. 5 \; \ textbf {N} / \ textbf {C}.} \ End {array} [/ latex]

Обсуждение

Напряженность электрического поля одинакова в любой точке на расстоянии 5,00 мм от заряда [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex], который создает поле. Он положительный, что означает, что он имеет направление, указывающее от заряда [латекс] \ boldsymbol {Q} [/ latex].

Пример 2: Расчет силы, действующей на точечный заряд электрическим полем

Какую силу электрическое поле, найденное в предыдущем примере, оказывает на точечный заряд [латекс] \ boldsymbol {-0.250 \; \ mu \ textbf {C}} [/ латекс]?

Стратегия

Поскольку мы знаем напряженность электрического поля и заряд в поле, силу, действующую на этот заряд, можно вычислить, используя определение электрического поля [latex] \ boldsymbol {\ textbf {E} = \ textbf {F} / q} [ / latex] преобразован в [латекс] \ boldsymbol {\ textbf {F} = q \ textbf {E}} [/ latex].

Раствор

Величина силы, действующей на заряд [латекс] \ boldsymbol {q = -0.250 \; \ mu \ textbf {C}} [/ latex], оказываемая полем напряженности [латекс] \ boldsymbol {E = 7.5 \; \ textbf {N} / \ textbf {C})} \\ [1em] & \ boldsymbol {0.180 \; \ textbf {N}.} \ End {array} [/ latex]

Поскольку [latex] \ boldsymbol {q} [/ latex] отрицательно, сила направлена ​​противоположно направлению поля.

Обсуждение

Сила привлекательна, как и следовало ожидать от разных зарядов. (Поле было создано положительным зарядом и здесь действует на отрицательный заряд.) Заряды в этом примере типичны для обычного статического электричества, а полученная умеренная сила притяжения аналогична силам, возникающим в статическом цеплении и подобных ситуациях.

Исследования PhET: электрическое поле грез

Играй в мяч! Добавьте заряды в Поле Мечты и посмотрите, как они отреагируют на электрическое поле. Включите фоновое электрическое поле и отрегулируйте направление и величину.

Рисунок 2. Электрическое поле снов

Использование электрических полей в тканевой инженерии

Органогенез. Январь-март 2008 г .; 4 (1): 11–17.

Обзор

Школа инженерных и физических наук; Университет Хериот-Ватт; Риккартон; Эдинбург, Шотландия, Великобритания

Автор, ответственный за переписку.Для корреспонденции: Джерарда Х. Маркса; Группа исследования микроструктур и микросреды; Комната NM9, Здание Джона Коулсона; Школа инженерии и физических наук; Университет Хериот-Ватт; Риккартон; Эдинбург, Шотландия Eh24 4AS Соединенное Королевство; Тел .: +44. (0) .131.451.8349; Факс: +44. (0) 131.451.3129; Электронная почта: ku.ca.wh@xkram.h.g

Поступила в редакцию 18 февраля 2008 г .; Принята к печати 26 февраля 2008 г.

Эта статья цитируется в других статьях в PMC.

Abstract

Использование электрических полей для измерения свойств клеток и тканей имеет долгую историю.Однако исследование использования электрических полей в тканевой инженерии началось совсем недавно. Дан обзор различных методов, с помощью которых электрические поля могут быть использованы в тканевой инженерии, с упором на сборку искусственных тканей из составляющих их клеток с использованием электрокинетики. Проведено сравнение электрокинетических методов с другими физическими методами манипулирования клетками, которые могут быть использованы при создании искусственных тканей.

Ключевые слова: тканевая инженерия, электрическое поле, микросреда, электрокинетика, диэлектрофорез, полярность

Введение

Исследование электрических свойств биологических материалов и их приложений имеет долгую историю.Тканевая инженерия, напротив, является относительно недавней областью исследований, и изучение использования электрических полей для определения характеристик или активного создания искусственных тканей только начинается. Однако, поскольку исследования в этой высококонкурентной области быстро расширяются, обзор использования электрических полей в тканевой инженерии представляется очень своевременным.

Основное применение электрических полей в тканевой инженерии – это характеристика искусственных тканей и составляющих их клеток, а также формирование искусственных тканеподобных материалов либо путем содействия формированию искусственного внеклеточного матрикса (например,g., формирование каркасов путем электроспиннинга) или микроманипуляции самих клеток с помощью электрических полей. Еще один потенциальный интерес в тканевой инженерии представляют также биологические эффекты электрических полей. В этом обзоре мы кратко обсудим все эти темы, сосредоточившись на манипулировании клетками с помощью электрокинетических методов.

Характеристика клеток и тканей с помощью электрических методов

Электрические свойства тканей в основном определяются их емкостью и проводимостью.Оба являются частотно-зависимыми, а частотный диапазон, в котором можно измерить электрические свойства тканей, находится в диапазоне от субгц до микроволнового диапазона (гига-тераГц). Было разработано большое количество различных методов измерения электрических свойств тканей, как контактных, так и бесконтактных методов. Обзоры электрических свойств природных тканей были даны разными авторами. 1 3 Измерения на естественных тканях могут дать информацию, например, об ориентации клеток в ткани, содержании жира в тканях, содержании влаги, повреждении тканей в результате теплового или других воздействий, свежести ткани или времени после смерти . 4 6 Кроме того, существуют явные различия между электрическими свойствами некоторых раковых и незлокачественных тканей. 7

Важным потенциальным применением диэлектрических измерений на тканях, созданных с помощью инженерии, является непрерывное измерение концентрации клеток и их распределения в тканевой конструкции в режиме онлайн. 8 , 9 Пример оперативного измерения концентрации клеток в тканевой конструкции показан на рис.

Измерение емкости концентраций клеток в тканевых конструкциях. (A) Емкость при 0,4 МГц клеток фибробластов при различных концентрациях в фибриновом геле, демонстрирующая линейную зависимость между емкостью и концентрацией клеток. (B) Постоянный мониторинг емкости на 0,4 МГц позволяет отслеживать концентрацию клеток в искусственной ткани во времени. Гель инокулировали 100000 человеческих фибробластных клеток / мл в среде для выращивания DMEM с 10% фетальной телячьей сывороткой. Измерения емкости проводили с помощью монитора биомассы Aber Instruments, модель 220 (Aber Instruments, Аберистуит, Великобритания).

В тканевой инженерии интерес представляют также измерения импеданса адгезивных клеток, растущих в виде сливающихся слоев клеток на поверхности электрода. 10 Из-за непроводящей природы клеточной мембраны импеданс через сливной слой клетки может быть очень высоким, и могут быть заметны небольшие изменения свойств клетки.

Электроформование

Электроформование обычно включает приложение высокого напряжения (обычно несколько кВ) к раствору полимера или расплаву полимера между проводящей головкой (обычно капилляром) и противоэлектродом.Сильное электрическое поле, создаваемое между капилляром и противоэлектродом, вызывает образование тонкой струи жидкости, из которой формируются нановолокна, которые можно использовать в качестве каркасов. 11

Манипуляции с клетками с использованием электрических полей и их использование в создании сборок искусственных клеток

Электрические поля постоянного тока.

В большинстве случаев клетки имеют общий отрицательный заряд, и когда к суспензии клеток прикладывается электрическое поле постоянного тока, клетки легко перемещаются с помощью электрофореза.Создавая положительное напряжение на электродах с микрорельефом, можно использовать электрофорез для привлечения и формирования рисунка клеток. 12 13 Электрическое поле, необходимое для электрофореза клеток, довольно велико. Это сильное внешнее электрическое поле постоянного тока вызывает очень сильные электрические поля через клеточную мембрану, что может отрицательно повлиять на жизнеспособность клеток. Другой недостаток использования электрических полей постоянного тока для формирования рисунка ячеек заключается в том, что другие эффекты, такие как электроосмотический поток среды и эффекты нагрева, вызывают потоки около электродов. Это затрудняет управление движением клеток, в то время как чрезмерное нагревание также может повлиять на жизнеспособность клеток. Уменьшение проводимости среды путем замены (проводящих) солей (непроводящими) сахарами может в некоторой степени облегчить эти проблемы.

Электрические поля переменного тока.

Хотя электроосмотические и тепловые эффекты также возникают в электрических полях переменного тока, эти эффекты значительно уменьшаются с увеличением частоты, а на частотах выше 1 МГц ими часто можно пренебречь. Электрические поля переменного тока через мембрану также уменьшаются с увеличением частоты, и, таким образом, электрические поля переменного тока предпочтительнее для манипулирования клетками, чем поля постоянного тока.В отличие от электрических полей постоянного тока, движение частиц в (радиочастотных) электрических полях переменного тока определяется дипольными эффектами, а не чистым поверхностным зарядом. На разных частотах преобладают разные поляризационные эффекты. В диапазоне МГц диполи ячеек в основном формируются эффектами межфазной поляризации на клеточной мембране. Клеточная мембрана имеет гораздо более низкую диэлектрическую проницаемость и гораздо менее проводящую, чем суспендирующая среда и цитоплазма, вызывая накопление заряда на мембране и образование большого дипольного момента во внешнем электрическом поле в этом диапазоне частот.Взаимодействие между диполем, индуцированным электрическим полем, и самим электрическим полем может приводить к множеству эффектов. Эти эффекты включают электроориентацию, электровращение, диэлектрофорез и электростатическое растяжение. 14 16

Электроориентация.

Электроориентация частицы в электрическом поле происходит, если индуцированный дипольный момент вдоль одной оси частицы сильнее, чем вдоль других осей. Дипольный момент многих частиц, в том числе многих ячеек, имеет разную частотную зависимость по разным осям.Это может привести к изменению ориентации ячеек при изменении частоты. 17 19 На рисунке показан пример, в котором показано, что (делящиеся) дрожжевые клетки меняют свою ориентацию с вдоль линий электрического поля с частотой 1 МГц на перпендикулярные к линиям электрического поля с частотой около 50 МГц. Возможна электроориентация клеток животных; это явно имеет потенциальное применение в тканевой инженерии, поскольку многие ткани содержат ориентированные клетки. 19

Электроориентация (делящихся) дрожжевых клеток.Используемые электроды имели интервал и ширину 40 мкм; приложенное напряжение составляло 10 В от пика до пика. (A) Ориентация вдоль силовых линий электрического поля на частоте 1 МГц; (B) Ориентация перпендикулярна электрическому полю на частоте 50 МГц.

Электровращение.

Электровращение относится к вращению частиц в электрических полях. Хотя вращение ячеек можно наблюдать в статических электрических полях, более воспроизводимое электрическое вращение может быть получено, если ячейка подвергается воздействию вращающегося электрического поля. Такие вращающиеся электрические поля могут быть легко сгенерированы путем подачи четырех сигналов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 градусов, на четыре электрода, окружающие ячейку 20, (см. Также). Скорость и направление вращения ячейки зависят от частоты; это может быть использовано для получения информации о свойствах субструктур клетки, таких как проницаемость или морщинистость клеточной мембраны или проводимость цитоплазмы. 21 Скорость, с которой частица вращается с заданной частотой, легко контролировать, изменяя напряжение.Управление ориентацией клеток с помощью электрического вращения может быть полезно в тканевой инженерии для ориентации поляризованных клеток в определенных направлениях.

Краткое изложение принципа установки электрического вращения с фазами сигнала электрического поля, приложенного к каждому электроду. Метод электрического вращения можно использовать для ориентации поляризованных ячеек в любом желаемом направлении.

Диэлектрофорез.

Термин «диэлектрофорез» относится к индуцированному боковому движению частиц в неоднородных электрических полях.Принцип диэлектрофореза показан на рис. Диэлектрофорез легко наблюдается, когда клетки суспендированы в буферах с низкой проводимостью, и электрические поля прикладываются к клеткам с помощью микроэлектродов размером в диапазоне 20–200 мкм и сигналов переменного тока с частотой в диапазоне 10 кГц – 100 МГц и напряжения от 2 до 20 В от пика до пика. Величина и направление диэлектрофоретической силы зависят от частоты электрического поля. Например, в изоосмотических буферах с низкой проводимостью клетки млекопитающих демонстрируют отрицательный диэлектрофорез (вдали от областей с высоким полем) на низких частотах около 10 кГц; положительный диэлектрофорез (в сторону областей с сильным полем) показан на частотах около 1 МГц.

Принцип диэлектрофореза. Пунктирными линиями обозначены силовые линии электрического поля. Диполь индуцируется электрическим полем в частице, и сила действует на индуцированные заряды с обеих сторон частицы. Поскольку напряженность электрического поля выше около меньшего электрода справа, чем рядом с большим электродом слева, частица будет испытывать результирующую силу, притягивая частицу к меньшему электроду. Если заряды на электродах поменять местами, распределение зарядов в диполе также изменится на противоположное; поэтому диэлектрофорез будет происходить в электрических полях как переменного, так и постоянного тока.Если окружающая среда более поляризуема, чем частица, результирующая сила будет в противоположном направлении (отрицательный диэлектрофорез, а не положительный диэлектрофорез, изображенный на рисунке).

Конструирование тканеподобных материалов с использованием диэлектрофореза было впервые исследовано в 1972 году Полом, 22 , 23 , который показал, что палочковидные бактериальные клетки могут быть привлечены в области сильного поля вокруг цилиндрического электрода с помощью диэлектрофореза. образуя тканеподобный материал.Ориентацию в ткани можно контролировать, изменяя частоту. 23 Хотя потребовалось много времени, прежде чем эта работа была возобновлена, в последние годы исследования в этой области стали набирать обороты, и ведется работа по созданию тканеподобных материалов из различных типов клеток. 25 29 Диэлектрофоретические спектры очень разных типов клеток очень похожи, 30 , и метод может быть использован практически с любым типом клеток – микробными, животными или растительными – или фактически с неклеточным материалом. 31 33 Можно использовать как отрицательный, так и положительный диэлектрофорез, 32 , 33 возможны манипуляции с отдельными клетками, 34 38 и размеры агрегатов могут варьироваться от отдельных клеток до сотен микрон. 28 , 39 43 Поскольку могут быть изготовлены матрицы микроэлектродов, в которых разные электроды адресуются в разное время с использованием сигналов разных напряжений и частот, и разные типы элементов могут быть введены в разное время, сложный с помощью диэлектрофореза могут быть созданы двух- и трехмерные паттерны различных типов клеток. Это делает его полезным методом для создания определенных сборок ячеек, в которых взаимодействуют одинаковые или разные типы ячеек. 44 Примеры таких сборок на сегодняшний день включают искусственные нейронные сети, 45 48 конструкции искусственной печени, 49 , 50 и искусственные эмбриональные и гемопоэтические стволовые клетки микроокружения. 39 , 42 Пример последнего показан в, на котором показан многоклеточный трехмерный агрегат, состоящий из трех различных типов клеток, которые вместе образуют искусственный микрониш для гемопоэтических стволовых клеток.

Искусственные микроники гемопоэтических стволовых клеток, созданные с помощью диэлектрофореза. (A) вид сверху; (B) вид сбоку; (C) фактический агрегат. Показанный агрегат состоит из последовательных слоев клеток остеобласта (внизу), стромы (в центре) и клеток Jurkat (вверху), соединенных между собой встречно-гребенчатыми электродами с противоположными зубцами. Агрегаты размером примерно 500 мкм имитируют нишу гематопоэтических стволовых клеток остеобластов в костном мозге. Ниши сосудистых гематопоэтических стволовых клеток, которые включают эндотелиальные клетки, могут быть созданы с использованием аналогичного подхода. 51

Хотя исследования в этой области все больше концентрируются на тканях млекопитающих, работа по созданию искусственной клеточной микросреды с использованием диэлектрофореза также включала микробные системы. Это включало исследования кворума (влияние сообщества) и обмена метаболитов в бактериальных агрегатах. 52 54

Если положительный DEP используется для притяжения клеток в области сильного поля между электродами, тогда – даже при том, что электрические силы притяжения уменьшаются в зависимости от высоты – диэлектрофорезные силы достаточно велики, чтобы положить вниз на несколько слоев клеток на высоте более 150 мкм. 39 42 При высоких концентрациях клеток, используемых в типичном эксперименте с диэлектрофорезом, взаимодействие между диполем, образованным отдельными клетками, является сильным. Это часто приводит к притяжению диполей (ячеек) друг к другу в электрическом поле, которое затем формирует так называемые «жемчужные цепи». В агрегатах ячеек в областях с сильным полем (в случае положительного DEP) часто преобладает образование жемчужных цепочек, а не перемещение отдельных ячеек с помощью DEP. 40 Когда ячейки собираются вместе под действием положительной силы DEP, ячейки находятся в прямом контакте друг с другом; это позволит осуществлять прямую связь ячейка-ячейка в собранных агрегатах. Кроме того, в собранном состоянии ячейки имеют тенденцию слипаться друг с другом. Если клетки были принуждены к прямому контакту друг с другом в течение некоторого времени, силы сцепления между клетками часто бывают достаточно сильными для того, чтобы электрическое поле было удалено без немедленного распада агрегата на составляющие его клетки.Этот эффект носит временный характер, но значительно упрощает любые последующие шаги, такие как введение геля для дальнейшей иммобилизации клеток. 42

После того, как клетки были переведены в их окончательное положение с помощью диэлектрофореза, необходим следующий этап иммобилизации, чтобы клетки оставались на месте. Для двумерных агрегатов, в которых клетки находятся в непосредственном контакте с поверхностью (электрода), часто используется модификация поверхности с помощью таких агентов, как фибронектин, чтобы способствовать прикреплению к поверхности.Также использовались различные гели как для 2-х, так и для 3-х мерных агрегатов; они включали фотополимеризуемые гели, 26 , 43 , 44 агарозу 44 и фибриновые гели. Другие подходы включают использование сшивающих агентов. 29 , 53 , 54

При положительном диэлектрофорезе на клетки могут действовать более сильные силы, чем при отрицательном диэлектрофорезе. Однако манипуляции с клетками с помощью положительного DEP обязательно включают использование изоосмотических буферов с низкой проводимостью, которые могут отрицательно влиять на жизнеспособность клеток. При использовании отрицательного диэлектрофореза можно использовать более высокие значения проводимости, но сила намного меньше. Интересным подходом к решению этой проблемы является использование шариков из проводящих гидрогелей, содержащих клетки; 50 гели позволяют снизить проводимость среды до уровней, при которых происходит положительный диэлектрофорез, в то время как клетки все еще находятся в среде с высокой проводимостью, образованной гелем.

Матрицы микроэлектродов, используемые для электрокинетической конструкции переменного тока из тканеподобных материалов, часто изготавливаются с использованием фотолитографии.Обычно такие массивы занимают площадь в несколько квадратных сантиметров. Однако метод, разработанный Abidin et al., 55 , показанный в, в котором ткани, содержащие параллельные металлические проволоки, используются для привлечения клеток с помощью диэлектрофореза, может позволить создавать тканеподобные материалы на больших площадях или объемах поверхности.

Могут быть созданы ткани, которые можно использовать для построения клеточных массивов с помощью диэлектрофореза в больших масштабах. 55

Электролитическое растяжение клеток.

Когда ячейка образует диполь, накопление заряда происходит на противоположных концах ячейки (см. Также). Следовательно, электрические силы будут самыми сильными там, где эти заряды накопились, и при очень высокой напряженности электрического поля это может привести к растяжению ячеек. 56 Хорошо известно, что механические силы влияют на поведение клеток в тканях, и электростатическое растяжение может быть методом, с помощью которого механические силы косвенно воздействуют на клетки. Тем не менее, прежде чем электрострейтинг станет эффективным методом приложения механических сил к клеткам в тканях, еще предстоит преодолеть многие технические проблемы.В частности, трудно создать достаточно высокую напряженность электрического поля в тканях, особенно при высокой средней проводимости, при сохранении жизнеспособности клеток.

Биологический ответ клеток на электрические поля

В предыдущем разделе реакция клеток на электрические поля была по существу пассивной; то, двигалась клетка или нет, определялось физическими свойствами клетки, такими как ее поверхностный заряд или наличие изолирующей мембраны, окружающей высокопроводящую цитоплазму.Однако клетки также могут активно реагировать на электрические поля. Мы рассмотрим несколько примеров активной реакции клеток на воздействие электрического поля и то, как это можно использовать в тканевой инженерии.

Электрические поля постоянного тока.

Прекрасный обзор электрических полей постоянного тока и их роли в биологических системах был дан McCaig et al. 57 Электрические поля постоянного тока хорошо известны и очень важны в биологии; например, в мембранных потенциалах, потоке ионов через белковые каналы, потенциалах действия в нервной системе.Однако менее известно, что устойчивые, продолжительные постоянные токи, возникающие в многоклеточном масштабе, также важны. Было показано, что такие устойчивые, продолжительные постоянные токи генерируются большим количеством разнообразных биологических систем и важны, среди прочего, во время формирования эмбрионов и заживления ран. Поэтому неудивительно, что приложенные извне постоянные токи обладают множеством биологических эффектов и что многие клетки реагируют на постоянные электрические поля постоянного тока. 57 , 58 Такие реакции включают гальванотаксис, 57 , 59 , который включает клетки, активно перемещающиеся либо к катоду, либо к аноду, и электротропизм, 57 , 60 , который включает ориентация клеток в электрических полях.

Гальванотаксис и электротропизм могут использоваться в тканевой инженерии, чтобы направлять клетки в заранее определенные положения или ориентировать клетки в определенных направлениях (например, нейроны). Стабильные электрические поля постоянного тока также участвуют в поддержании полярности клеток в естественных тканях, в частности, в эпителиальных клетках. Совершенно очевидно, что существует возможность контролировать полярность клеток в искусственных тканях с помощью внешних электрических полей постоянного тока.

Электрические поля переменного тока.

Исследование реакции клеток на электромагнитные поля переменного тока было сосредоточено на эффектах, связанных с воздействием низкочастотных (например,ж., линии электропередач) или высокочастотные электромагнитные поля (например, микроволновые печи, мобильные телефоны). При задействованных низких мощностях часто очень трудно определить, оказывает ли воздействие электромагнитное поле эффект или нет, и очень ограниченные эффекты, наблюдаемые на сегодняшний день, безусловно, были недостаточны, чтобы найти роль электрических полей переменного тока малой мощности / малой силы. в тканевой инженерии.

Напротив, известно, что сильные электрические поля переменного тока по-разному влияют на клетки.Эти эффекты варьируются от нагрева до разрушения мембраны и смерти. Воздействие на клетки сильных электрических полей переменного тока на самом деле является эффективным методом стерилизации материалов. 61 Воздействие на клетки импульсами электрического поля малой длительности может временно вызвать небольшие отверстия в мембране, которые быстро закрываются, не влияя на жизнеспособность клеток в значительной степени; этот эффект использовался в электропорации и электросварке. 62 , 63 Во время сборки ткани с помощью диэлектрофореза или родственных методов электрокинетики переменного тока клеточные мембраны часто подвергаются воздействию электрических полей, близких к значению 30–40 кВ / м.Это может убить клетки. 42 , 64 Однако исследования длительного воздействия на клетки сублетальных электрических полей ниже этой величины в питательной среде не обнаружили эффектов электрического поля или очень незначительно; 65 , 66 когда клетки подвергаются воздействию сублетальных электрических полей в изоосмотических буферах с низкой проводимостью, трудно отделить эффекты буфера от эффектов электрического поля; опять же, любые эффекты от самих электрических полей, вероятно, будут незначительными.

Сравнение использования электрических полей в тканевой инженерии с другими методами физической силы, основанными на поле

Обзор использования электрического поля в тканевой инженерии не будет полным, если не будет сделана ссылка на другие методы микроманипуляции физических клеток. В последние годы был разработан целый ряд методов, которые можно использовать для микро-инженерии искусственных тканей из их компонентов. 67 , 68 Хотя такие методы, как струйная технология и связанные с ней методы свободного потока, микрофлюидные подходы и методы формирования рисунка поверхности (топологические или химические), также представляют интерес, для краткости обзора будет проведено сравнение ячеек. техники манипуляции, основанные только на физических силовых полях.

Помимо электрических методов, 24 , 69 оптический, 70 73 ультразвук 74 , 75 и магнитные методы 76 , 77 в настоящее время также разрабатываются для их использования при сборке искусственных тканей. Сравнение методов приведено в. Для полной эффективности в буферах с низкой проводимостью часто необходимо использовать методы, основанные на электрическом поле; это не относится к другим методам, которые могут работать непосредственно в питательной среде.Процедуры, используемые для сборки тканей с помощью электрических полей, также часто более жесткие по сравнению с другими методами, хотя на практике до настоящего времени мы, к счастью, всегда находили условия, приемлемые для клеток. Подходы на основе электрического поля не имеют пространственного разрешения подходов на основе лазерных пинцетов, но количество ячеек, которыми можно управлять одновременно с использованием электрических полей, ограничено только размером электродной решетки, в то время как подходы с лазерным пинцетом количество клеток, которыми можно манипулировать, очень ограничено.Подходы на основе ультразвука не имеют хорошего пространственного разрешения. Сильный недостаток магнитных подходов состоит в том, что клетки обычно не намагничиваются, и что для того, чтобы иметь возможность манипулировать клетками с помощью магнитных полей, их необходимо сделать намагничиваемыми, заставляя клетки поглощать парамагнитные материалы. Другими методами такое изменение ячеек не требуется.

Таблица 1

Сравнение различных методов манипуляции с клетками на основе физического силового поля

Физическое силовое поле Типичное необходимое оборудование Достижимое пространственное разрешение Влияние поля на жизнеспособность клеток Манипуляции непосредственно в процессе роста средний? Количество клеток, которыми можно манипулировать одновременно Типичный обрабатываемый объем
Оптический Микроскоп с лазером NIR и моторизованным столиком Очень высокий, нанометры Некоторый нагрев Да Маленький (обычно одиночный ячейки; возможны 100) pL
Электрооборудование Микроэлектроды; генератор частоты Хорошо; обычно микроны Нагревание; нарушение целостности мембраны в сильных полях Сложно Отдельные клетки, а также большие количества (миллионы) мкл-мл
Магнитный Магнит Аналогично электрическим методам Клетки должны быть намагничиваемыми; в противном случае можно пренебречь Да Отдельные клетки, а также большое количество (миллионы) мкл-мл
Ультразвук Резонансная камера с пьезоэлектрическим преобразователем с резонансной частотой в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц Обычно низкая , десятки микрон Маленькие Да Обычно большие числа (миллионы) мл

Выводы

Электрические поля все шире используются в тканевой инженерии. Это связано не только с тем, что электрические поля полезны для описания и построения искусственной ткани, но и потому, что электричество играет важную роль в живых системах. Одна из областей, в которой электрические поля могут играть все более важную роль, – это создание искусственных тканей из составляющих их клеток. Однако методы электрического манипулирования клетками должны будут конкурировать с другими физическими методами манипуляции клетками. Каждый метод физической манипуляции с клетками имеет свои преимущества и недостатки.Однако электрические методы особенно полезны. С помощью электрических методов можно проводить эксперименты с относительно простым оборудованием. Кроме того, управление простое, может быть достигнуто хорошее пространственное разрешение, и многие ячейки могут обрабатываться одновременно без их предварительной модификации.

Выражение признательности

Я хотел бы поблагодарить сотрудников Intercytex за полезные обсуждения и разрешение на публикацию работ по измерениям емкости в искусственных тканях, а также Королевскую инженерную академию за предоставление средств для промышленного прикомандирования в Intercytex. Я также хотел бы поблагодарить доктора А. Бокл за многие полезные обсуждения и использование ее оборудования для некоторых экспериментальных работ, а доктору Хэтфилду и Макгоуэну за использование оборудования для производства микроэлектродов. Особая благодарность А. МакГилкристу, Б. Алпу и А. Себастьяну за использование их изображений, посвященных электроориентации и микронишам гемопоэтических стволовых клеток, соответственно. Эта работа получила финансирование от BBSRC (грант BB / D002850 / 1: проект Hematon) и Wellcome Trust.

Сокращения

AC переменного тока
DC постоянного тока

Ссылки

1. Pethig R, Kell DB. Пассивные электрические свойства биологических систем: их значение в физиологии, биофизике и биотехнологии. Phys Med Biol. 1987. 32: 933–970. [PubMed] [Google Scholar] 2. Габриэль С., Лау Р. В., Габриэль С. Диэлектрические свойства биологических тканей, 2. Измерения в диапазоне частот от 10 Гц до 20 ГГц. Phys Med Biol. 1996; 41: 2251–2269. [PubMed] [Google Scholar] 3. Фостер К.Р., Шван ХП. Диэлектрические свойства тканей и биологических материалов: критический обзор. CRC Crit Rev Biomed Eng. 1989; 17: 25–104. [PubMed] [Google Scholar] 4. Аланен Э., Лахтинен Т., Нуутинен Дж. Измерение диэлектрических свойств подкожного жира с помощью коаксиальных датчиков с открытым концом. Phys Med Biol. 1998. 43: 475–485. [PubMed] [Google Scholar] 5. Райку В., Сайбара Т., Иримаджири А. Многочастотный метод диэлектрического мониторинга органов, консервированных холодом.Phys Med Biol. 2000; 45: 1397–1407. [PubMed] [Google Scholar] 6. Керидо Д. Температурная коррекция абдоминального импеданса: улучшенная взаимосвязь между импедансом и посмертным интервалом. Международная криминалистическая экспертиза. 2000; 109: 39–50. [PubMed] [Google Scholar] 7. Присоединяется к WT, Zhang Y, Li CX, Jirtle RL. Измерены электрические свойства нормальных и злокачественных тканей человека в диапазоне от 50 до 900 МГц. Медицинская физика. 1994; 21: 547–550. [PubMed] [Google Scholar] 8. Кайл А.Х., технический директор Чана, Минчинтон А.И. Характеристика трехмерных культур тканей с помощью электроимпедансной спектроскопии.Биофиз Дж. 1999; 76: 2640–2648. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 9. Харрис CM, Тодд RW, Бангард SJ, Ловитт RW, Моррис JG, Келл ДБ. Диэлектрическая проницаемость микробных суспензий на радиочастотах: новый метод оценки микробной биомассы в реальном времени. Enzyme Microb Technol. 1987. 9: 181–186. [Google Scholar] 10. Будриот У., Дерш Р., Грейнер А., Вендорф Дж. Х. Электроспиннинг подходы к проектированию каркасов – краткий обзор. Искусственные органы. 2006; 30: 785–792. [PubMed] [Google Scholar] 11.Wegener J, Keese CR, Giaever I. Зондирование импеданса между клетками и субстратом (ECIS) как неинвазивное средство контроля кинетики распространения клеток на искусственные поверхности. Exp Cell Res. 2000. 259: 158–166. [PubMed] [Google Scholar] 12. Озкан М., Пизаник Т., Шил Дж., Барлоу К., Эсенер С. , Бхатия С.Н. Электрооптическая платформа для манипулирования жизненными клетками. Ленгмюра. 2003; 19: 1532–1538. [Google Scholar] 13. Озкан М., Озкан К.С., Кибар О., Ван М.М., Бхатия С., Эсенер С.К. Гетерогенная интеграция за счет электрокинетической миграции.IEEE Eng Med Biol. 2001. 20: 144–151. [PubMed] [Google Scholar] 14. Хьюз депутат. Наноэлектромеханика в технике и биологии. Бока-Ратон: CRC Press; 2003. [Google Scholar] 15. Марккс Г.Х., Дэйви К.Л. Диэлектрические свойства биологических клеток на радиочастотах: приложения в биотехнологии. Enzyme Microb Technol. 1999; 25: 161–171. [Google Scholar] 16. Джонс ТБ. Электромеханика частиц. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 1995. Кембридж. [Google Scholar] 18. Марккс Г.Х., Альп Б., МакГилкрист А.Электроориентация Schizosaccharomyces pombe в среде с высокой проводимостью. J Microb методы. 2002; 50: 55–62. [PubMed] [Google Scholar] 19. Ян М., Чжан X. Электрическое моделирование сердечных миоцитов с контролируемой макроскопической анизотропией с использованием микрожидкостного диэлектрофореза. Датчики-актуаторы А. 2007; 35: 73–79. [Google Scholar] 20. Арнольд В.М., Циммерманн У. Электровращение – разработка метода диэлектрических измерений отдельных ячеек и частиц. J Электростат.1988; 21: 151–191. [Google Scholar] 21. Ван XB, Хуанг Y, Gascoyne PRC, Becker FF, Hoelzel R, Pethig R. Изменения мембран эритролейкозных клеток мышей Фрэнда во время индуцированной дифференцировки, определяемой электрическим вращением. Biochim Biophys Acta. 1994; 1193: 330–344. [PubMed] [Google Scholar] 22. Pohl HA. Диэлектрофорез. Кембридж: Издательство Кембриджского университета; 1978. [Google Scholar] 23. Pohl HA. Электрическое формирование масс живых клеток. J Colloid Interface Sci. 1972; 39: 437–438. [Google Scholar] 24.Markx GH, Пряжка AM. Энциклопедия биоматериалов и биомедицинской инженерии. Нью-Йорк: Тейлор и Фрэнсис; 2005. Тканевая инженерия: электрокинетика переменного тока. [Google Scholar] 25. Мацуэ Т., Мацумото Н., Учида И. Быстрое формирование микропроцессоров живых клеток за счет отталкивающей диэлектрофоретической силы. Electrochim Acta. 1997; 42: 3251–3256. [Google Scholar] 26. Альп Б., Стивенс Г. М., Марккс Г. Х. Формирование искусственных структурированных микробных консорциумов (ASMC) методом диэлектрофореза. Enzyme Microb Technol. 2002; 31: 35–43. [Google Scholar] 27.Альп Б., Эндрюс Дж. С., Мейсон В. П., Воловач Р., Марккс Г. Х. Создание структурированных биоматериалов с использованием электрокинетики переменного тока. IEEE Eng Med Biol. 2003. 22: 91–97. [PubMed] [Google Scholar] 28. Альбрехт Д.Р., Сах Р.Л., Бхатия С.Н. Геометрические и материальные факторы, определяющие эффективность формирования рисунка с помощью диэлектрофореза. Биофиз Дж. 2004; 87: 2131–2147. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 29. Вердуско Луке CE, Альп B, Стивенс GM, Markx GH. Создание биопленок с определенной внутренней архитектурой с использованием диэлектрофореза и флокуляции.Biotechnol Bioeng. 2003; 83: 39–44. [PubMed] [Google Scholar] 30. Петиг Р., Марккс Г.Х. Применение диэлектрофореза в биотехнологии. Trends Biotechnol. 1997. 15: 426–432. [PubMed] [Google Scholar] 31. Велев О.Д., Бхатт К.Х. Микроманипуляция на кристалле и сборка коллоидных частиц электрическими полями. Мягкая материя. 2006; 2: 738–750. [Google Scholar] 32. Петиг Р., Хуанг И, Ван XB, Берт JPH. Положительный и отрицательный диэлектрофоретический сбор коллоидных частиц с помощью встречно-гребенчатых электродов.J. Phys D: Appl Phys. 1992; 25: 881–888. [Google Scholar] 33. Ван XB, Хуанг Y, Burt JPH, Markx GH, Pethig R. Селективное диэлектрофорезное удержание биочастиц в ямах потенциальной энергии. J. Phys D: Appl Phys. 1993; 26: 1278–1285. [Google Scholar] 34. Müller T, Pfennig A, Klein P, Gradl G, Jäger M, Schnelle T. Возможности диэлектрофореза для экспериментов с одной клеткой. IEEE Eng Med Biol Mag. 2003: 51–61. [PubMed] [Google Scholar] 35. Manaresi N, Romani A, Medoro G, Altomare L, Leonardi A, Tartagni M, Guerrieri R.КМОП-чип для обработки и обнаружения отдельных ячеек. Журнал IEEE по твердотельным схемам. 2003; 38: 2297–2305. [Google Scholar] 36. Грей Д.С., Тан Дж.Л., Волдман Дж., Чен С.С. Диэлектрофоретическая регистрация живых клеток на матрице микроэлектродов. Biosens Bioelectron. 2004; 19: 1765–1774. [PubMed] [Google Scholar] 38. Mittal N, Rosenthal A, Voldman J. Микролунки NDEP для формирования паттерна отдельных клеток в физиологической среде. Лабораторный чип. 2007; 7: 1146–1153. [PubMed] [Google Scholar] 39. Себастьян А., Пряжка А.М., Марккс Г.Х.Формирование многослойных агрегатов клеток млекопитающих методом диэлектрофореза. J Micromech Microeng. 2006; 16: 1769–1777. [Google Scholar] 40. Себастьян А., Venkatesh AG, Markx GH. Тканевая инженерия с электрическими полями: исследование формы агрегатов клеток млекопитающих, сформированных на встречно-гребенчатых электродах с противоположными зубцами. Электрофорез. 2007. 28: 3821–3828. [PubMed] [Google Scholar] 41. Venkatesh AG, Markx GH. По высоте скопления клеток образованы положительным диэлектрофорезом. J. Phys D: Appl Phys.2007. 40: 106–113. [Google Scholar] 42. Себастьян А. , Пряжка А.М., Марккс Г.Х. Тканевая инженерия с электрическими полями: иммобилизация клеток млекопитающих в многослойных агрегатах с использованием диэлектрофореза. Biotechnol Bioeng. 2007. 98: 694–700. [PubMed] [Google Scholar] 43. Альбрехт Д.Р., Цанг В.Л., Сах Р.Л., Бхатия С.Н. Фото- и электропрообразование массивов живых клеток, инкапсулированных в гидрогель. Лабораторный чип. 2005. 5: 111–118. [PubMed] [Google Scholar] 44. Альбрехт Д.Р., Андерхилл Г.Х., Вассерманн ТБ, Сах Р.Л., Бхатия С.Н. Исследование роли многоклеточной организации в трехмерной микросреде.Методы природы. 2006; 3: 369–375. [PubMed] [Google Scholar] 45. Heida T, Rutten WLC, Marani E. Диэлектрофоретическое улавливание диссоциированных кортикальных нейронов плода крысы. IEEE Trans Biomed Eng. 2001; 48: 921–930. [PubMed] [Google Scholar] 46. Heida T, Vulto P, Rutten WL, Marani E. Жизнеспособность диэлектрофорезных ловушек нейральных кортикальных клеток в культуре. J Neurosci Methods. 2001; 110: 37–44. [PubMed] [Google Scholar] 47. Prasad S, Yang M, Zhang X, Ozkan CS, Ozkan M. Формирование паттернов нейронных сетей с помощью электрического поля для изучения функций мозга.Биомедицинские микроустройства. 2003. 5: 125–137. [Google Scholar] 48. Yu Z, Xiang G, Pan L, Huang L, Yu Z, Xing W, Cheng J. Отрицательная диэлектрофорезная сила способствовала построению упорядоченных нейронных сетей на биоэлектронных чипах позиционирования клеток. Biomed Microdev. 2004. 6: 311–324. [PubMed] [Google Scholar] 49. Хо CT, Лин Р.З., Чанг Вайоминг, Чанг Х.Й., Лю Ч. Быстрое формирование гетерогенного паттерна клеток печени на чипе с помощью ловушки с усиленным диэлектрофорезом, индуцированным полем. Лабораторный чип. 2006; 6: 724–734. [PubMed] [Google Scholar] 50.Альбрехт Д. Р., Андерхилл Г. Х., Мендельсон А., Бхатиа С. Н.. Многофазное электроформование клеток и биоматериалов. Лабораторный чип. 2007; 7: 702–709. [PubMed] [Google Scholar] 52. Марккс Г. Х., Эндрюс Дж. С., Мейсон В. П.. На пути к микробной тканевой инженерии? Trends Biotechnol. 2004. 22: 417–422. [PubMed] [Google Scholar] 53. Mason VP, Markx GH, Thompson IP, Andrews JS, Manefield M. Колониальная архитектура в смешанных сообществах видов влияет на экспрессию генов, опосредованную AHL. Письма о микробиологии FEMS. 2005. 244: 121–127. [PubMed] [Google Scholar] 54.Эндрюс Дж. С., Мейсон В. П., Томпсон И. П., Стивенс Г. М., Марккс Г. Х. Создание искусственно структурированных микробных консорциумов (ASMC) с использованием диэлектрофореза: изучение взаимодействия бактерий через промежуточные продукты метаболизма в биопленках окружающей среды. J Microb методы. 2006. 64: 96–106. [PubMed] [Google Scholar] 55. Абидин З.З., Даунс Л., Марккс Г.Х. Масштабное диэлектрофоретическое конструирование биопленок с использованием текстильных технологий. Biotechnol Bioeng. 2007; 96: 1222–1225. [PubMed] [Google Scholar] 56. Сухоруков В.Л., Муссауэр Х., Циммерманн У.Влияние сил электрической деформации на электропроницаемость мембран эритроцитов в средах с низкой и высокой проводимостью. J Membrane Biol. 1998. 163: 235–245. [PubMed] [Google Scholar] 57. McCaig CD, Rajnicek AM, Song B, Zhao M. Электрическое управление поведением клеток: текущие взгляды и будущий потенциал. Physiol Rev.2005; 85: 943–978. [PubMed] [Google Scholar] 58. Чжао М., Сонг Б., Пу Дж., Вада Т., Реди Б., Тай ГП, Ван Ф, Го А. Х, Вальчиско П., Гу И, Сасаки Т., Сузуки А., Forrester JV, Bourne HR, Девреотес П.Н., МакКейг К.Д., Пеннингер Дж. М. .Электрические сигналы контролируют заживление ран через фосфатидилинозитол-3-ОН киназу-гамма и PTEN. Природа. 2006; 442: 457–460. [PubMed] [Google Scholar] 59. Сан С., Вайз Дж., Чо М. Миграция человеческих фибробластов в трехмерном коллагеновом геле в ответ на неинвазивный электрический стимул – I. Характеристика индуцированного трехмерного движения клеток. Тканевая инженерия. 2004. 10: 1548–1557. [PubMed] [Google Scholar] 60. Сан С., Титушкин И., Чо М. Регулирование адгезии и ориентации меземхимальных стволовых клеток в трехмерном коллагеновом каркасе с помощью электрического стимула. Биоэлектрохимия. 2006; 69: 133–141. [PubMed] [Google Scholar] 61. Jeyamkondan S, Jayas DS, Holley RA. Обработка пищевых продуктов импульсным электрическим полем: обзор. J Защита пищевых продуктов. 1999; 62: 1088–1096. [PubMed] [Google Scholar] 62. Нил Г.А., Циммерманн У. Электросварка. Методы в энзимологии. 1993; 221: 171–196. [PubMed] [Google Scholar] 63. Хо С.Ю., Миттал Г.С. Электропорация клеточных мембран: обзор. Crit Rev Biotechnol. 1996. 16: 349–362. [PubMed] [Google Scholar] 64. Menachery A, Pethig R. Контроль разрушения клеток с помощью диэлектрофоретических сил.IEE Proc Nanobiotechnol. 2005. 152: 145–149. [PubMed] [Google Scholar] 65. Fuhr G, Glasser H, Müller T, Schnelle T. Манипуляции с клетками и культивирование под влиянием переменного электрического поля в высокопроводящих питательных средах. Biochim Biophys Acta. 1994; 1201: 353–360. [PubMed] [Google Scholar] 66. Арчер С., Ли Т. Т., Эванс А. Т., Бритланд С. Т., Морган Х. Клеточные реакции на диэлектрофорезные манипуляции. Biochem Biophys Res Comm. 1999. 257: 687–698. [PubMed] [Google Scholar] 67. Khademhosseini A, Langer R, Borenstein J, Vacanti JP.Микромасштабные технологии для тканевой инженерии и биологии. Proc Natl Acad Sci USA. 2006; 103: 2480–2487. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar] 68. Park H, Cannizzaro C, Vunjak-Novakovic G, Langer R, Vacanti CA, Farokhzad OC. Нанофабрикация и микротехнология функциональных материалов для тканевой инженерии. Тканевая инженерия. 2007; 13: 1867–1877. [PubMed] [Google Scholar] 69. Волдман Дж. Электрические силы для микромасштабных манипуляций с клетками. Энн Рев Биомед Eng. 2006; 8: 425–454. [PubMed] [Google Scholar] 70.Grier DG. Революция в оптических манипуляциях. Природа. 2003; 424: 810–816. [PubMed] [Google Scholar] 71. Биркбек А.Л., Флинн Р.А., Озкан М., Сонг Д.К., Гросс М., Эсенер СК. Массивы VCSEL как микроманипуляторы в биосистемах на основе чипов. Биомедицинские микроустройства. 2003; 5: 47–54. [Google Scholar] 72. Odde DJ, Ренн MJ. Прямая запись живых клеток под лазерным наведением. Biotechnol Bioeng. 2000. 67: 312–318. [PubMed] [Google Scholar] 73. Odde DJ, Ренн MJ. Прямое письмо с лазерным управлением для приложений в биотехнологии. Trends Biotechnol.1999; 17: 385–389. [PubMed] [Google Scholar] 74. Базу Д., Даутуэйт ГП, Хан И.М., Арчер CW, Ральфс-младший, Коакли В.Т. Межклеточная коммуникация щелевого соединения и организация цитоскелета в хондроцитах во взвешенном состоянии в ультразвуковой ловушке. Mol Membrane Biol. 2006; 23: 195–205. [PubMed] [Google Scholar] 75. Базоу Д., Кузнецова Л.А., Коукли В.Т. Физическая среда двумерных агрегатов клеток животных, сформированных в ловушке стоячей волны ультразвука с коротким оптическим диапазоном. Ультразвук Med Biol. 2005; 31: 423–430. [PubMed] [Google Scholar] 76.Ино К., Ито А., Хонда Х. Формирование структуры клеток с использованием наночастиц магнетита и магнитной силы. Biotechnol Bioeng. 2007. 97: 1309–1317. [PubMed] [Google Scholar] 77. Tanase M, Felton EJ, Gray DS, Hultgren A, Chen CS, Reich DH. Сборка многоклеточных конструкций и микрочипов клеток с использованием магнитных нанопроволок.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *