Intensità del campo elettrico • Ingegneria elettronica • Calcolatrice compatta • Convertitori unità online (2023)

Panoramica

Viviamo in un oceano di campi elettrici e magnetici. Proprio come quando un oceano si calma, questi campi possono essere più o meno stabili, ma quando arriva una tempesta, possono diventare molto agitati.

Da bambini abbiamo appreso che un ago della bussola magnetizzato punta al polo geomagnetico Nord della Terra. L'invenzione della bussola ha giocato un ruolo significativo nel nostro sviluppo come essere umani. È particolarmente vero con lo sviluppo della navigazione marittima.

Rispetto al campo magnetico, il campo elettrico della Terra non mostra le sue proprietà, ed è generalmente difficile rilevarlo senza dispositivo specializzato. Possiamo tuttavia vedere gli effetti del campo elettrico quando passiamo un pettine di plastica tra i capelli lavati e asciugati: ciò è dovuto al campo elettrico che il capello forma per seguire la spazzola. Un effetto simile succede quando passiamo lo stesso pettine su piccoli pezzi di carta o pellicola di plastica, e questi superano la gravità, si sollevano e si attaccano al pettine.

Eppure, viene una tempesta elettrica, e siamo in grado di sentire il suo approccio senza alcun dispositivo. Vediamo i lampi dei fulmini distanti e sentiamo il tuono, che annuncia l'arrivo della tempesta. Ciò causa interferenza alle trasmissioni radio e televisive, e il fulmine può anche danneggiare dispositivi radio ed elettronici.

Un esempio è il black-out che si è verificato a New York nel 1977, quando gran parte della città è rimasta senza elettricità dopo una serie di fulmini che hanno colpito le diverse linee elettriche. Le tempeste geomagnetiche nello spazio possono anche causare interruzioni di fornitura elettrica in una città, una regione, e a volte anche in un intero paese. Un esempio è il black-out che si è verificato in Quebec nel 1989. Queste tempeste possono anche causare l'interruzione nel servizio telegrafico attraverso il continente come durante l'evento di Carrington che si è avuto nel 1859 a seguito di una tempesta solare. Tuttavia, dobbiamo notare che questi disturbi geomagnetici del campo magnetico della Terra sono generalmente inferiori all'1% della quantità totale di disturbi magnetici rilevabili.

Per quanto ne sappiamo al momento, le variazioni dei campi elettrici e magnetici nel tempo creano campo elettromagnetici che possono essere visti come singole entità integrali che cambiano con frequenza più bassa o più alta. Lo spettro elettromagnetico di queste frequenze è ampio, da frequenze ultrabasse di una frazione di hertz a radiazioni gamma con frequenza di exahertz.

Ecco un fatto curioso poco noto: la potenza del segnale emesso dalla Terra in un intervallo stretto di frequenze usato per trasmissioni radio e televisive e con satelliti di comunicazione supera la potenza della radiazione solare. Alcuni radioastronomi suggeriscono di ricercare civiltà extraterrestri in base a questo fattore. Altri scienziati, d'altro canto, considerano questo fatto come prova della nostra incompetenza attuale nel gestire le nostre risorse energetiche naturali e prova che la nostra tecnologia corrente ha ancora molto da fare.

Una delle caratteristiche più importanti di un campo elettrico (nonché magnetico) è la sua intensità. Quando viene superata per un mezzo specifico (ad es. 30 kV/cm per aria), si verifica un guasto elettrico, che si manifesta mediante scarica in forma di scintille o addirittura un arco. Un esempio di tale scarica è negli accendini elettrici. La potenza di questa scarica negli accendini elettrici è così bassa, che la sua energia è sufficiente solo per riscaldare il gas alla sua temperatura di combustione.

La potenza di un singolo fulmine a una tensione media di 20 milioni di volt e corrente di ventimila ampere può essere di circa 200 milioni di kilowatt. Questo numero tiene conto del fatto che quando il fulmine colpisce, la tensione cade dal valore massimo a zero. Un grande temporale produce un fulmine dalla potenza sufficiente per soddisfare il fabbisogno energetico di tutta la popolazione degli Stati Uniti per venti minuti.

Dato che circa 2000 temporali si verificano contemporaneamente sulla Terra, una prospettiva molto interessante è quella di essere in grado di utilizzare l'energia elettrica prodotta nella ionosfera della Terra. Esiste un certo numero di progetti che mira allo sfruttamento della potenza dei fulmini utilizzando parafulmini specializzati o inizializzando la scarica che si verifica quando il fulmine colpisce. Abbiamo anche tecnologie per generare in modo artificiale la scarica di un fulmine. Ciò viene fatto con il lancio di piccoli razzi o con gli aquiloni che sono collegati alla Terra con conduttori. Alcune promettenti ricerche in corso includono tecnologie, che fanno scattare il fulmine attraverso la creazione di canali di conduzione mediante ionizzazione nell'atmosfera utilizzando laser potenti o radiazioni a microonde. Ciò riduce i costi in quanto non abbiamo bisogno di preoccuparci del costo dei conduttori, che evaporano quando colpiti dal fulmine.

In sostanza non abbiamo bisogno di generare elettricità, abbiamo semplicemente bisogno di raccoglierla, conservarla e convertirla in una forma di energia facile da usare. Per ora non abbiamo tecnologie adeguate a tal fine, ma abbiamo grandi speranze per le tecnologie future. Alcuni modi possibili per sfruttare questa energia devono utilizzare nuovi materiali come grafene, nonché magneti superconduttori. Un'alternativa è creare supercondensatori con densità di energia estremamente alta.

Forse un giorno potremo rendere realtà il sogno del genio dell'elettricità Nikola Testa, uno scienziato americano di origine serba. Egli voleva essere in grado di raccogliere energia elettrica in una data quantità e da un qualsiasi punto sulla Terra, anche dall'atmosfera. Nel corso dei suoi esperimenti sulla generazione dei fulmini nel suo laboratorio di Colorado Springs nel 1889, egli è riuscito a generare e trasmettere energia elettrica di una tensione così alta che alcuni cavalli in una stalla vicina caddero a causa della scarica elettrica ricevuta attraverso i loro zoccoli in metallo. Le farfalle volavano circondate dalle luci di Sant'Elmo, i pedoni camminavano tra le scintille e le scintille fuoriuscivano anche dai rubinetti dell'acqua. Forse è a causa di tali esperimenti che all'epoca le persone lo consideravano pazzo e pericoloso, una personificazione dello scienziato pazzo.

Non c'è da stupirsi quando si dice che c'è una linea sottile tra genio e follia.

Un po' di storia

La nozione di intensità del campo elettrico è direttamente collegata alle cariche elettriche e ai campi elettrici generati da tali cariche.

La legge delle interazioni tra cariche elettriche, scoperte da Charles-Augustin de Coulomb nel 1785, nota come legge di interazione elettrostatica di Coulomb, ha dato ai fisici gli strumenti per calcolare le proprietà di queste interazioni. Questa legge è molto simile alla legge di Newton della gravitazione universale, che è stata scoperta in precedenza. Una differenza significativa è che la legge di Coulomb considera l'interazione di cariche diverse, negative e positive, mentre la legge di gravitazione parla solo di un tipo di interazione, quella in cui corpi possono essere attratti solo tra loro.

In modo simile a Newton, che non è riuscito a spiegare il motivo della gravità, Coulomb non è riuscito a spiegare il motivo dell'interazione tra le cariche elettriche.

Alcuni dei migliori scienziati del tempo avanzarono varie ipotesi sulla natura di queste forze, comprese le teorie di interazione a corto raggio e a lungo raggio. La prima presume che un agente intermedio conosciuto come etere mondo fosse presente e si è creduto avere proprietà molto particolari, ad es. elasticità molto elevata a bassissima densità e viscosità. Questo perché all'epoca gli scienziati credevano che le forze richiedessero un mezzo specifico e in questo caso il mezzo si riteneva dovesse essere un liquido. Ci siamo fermati a studiare questi mezzi di recente, nel XX secolo, grazie agli esperimenti di un fisico americano Albert Michelson, e grazie ad Albert Einstein e alla sua teoria della relatività.

La ricerca degli eminenti fisici britannici Michael Faraday e James Clerk Maxwell alla fine del XIX secolo è stata fondamentale nel muovere il campo nella direzione giusta. Michael Faraday ha mostrato un collegamento tra i campi magnetici ed elettrici quando ha introdotto il concetto di campo e creato una visualizzazione di questa interazione usando linee di forza. Il modo moderno di rappresentare campo elettromagnetici o altri vettori è usando le linee di campo.

Analogamente alla visualizzazione delle linee di campo di un campo magnetico, che viene creata spargendo trucioli metallici nel campo magnetico prodotto da un magnete, Faraday ha creato una visualizzazione di un campo elettrico posizionando cristalli di chinina dielettrica in un liquido viscoso, che nel suo caso è stato l'olio di ricino. Questi cristalli hanno creato interessanti catene accanto agli oggetti caricati; la loro forma dipendeva dalla distribuzione dei carichi.

Il contributo principale che Faraday ha reso è nell'introduzione della nozione che le cariche elettriche non agiscono direttamente l'una sull'altra. Ogni carica crea un campo elettrico attorno ad essa, e un campo magnetico se questo è in movimento. I fenomeni di elettromagnetismo sono infatti causata dalla variazione del numero di linee di campo, racchiuse in un dato schema.

Qui il numero di linee di intensità si riferisce alla potenza del campo elettrico o magnetico.

Un famoso conterraneo di Faraday, J.C. Maxwell ha riassunto le sue idee quantitativamente e matematicamente, che è estremamente importante per la fisica. Le sue equazioni divennero fondamentali nello studio dell'elettrodinamica teorica e pratica. Il suo lavoro ha posto l'attenzione sullo studio delle interazioni a lungo raggio, in quanto i suoi studi prevedevano la velocità finita della diffusione di interazione elettromagnetica nel vuoto.

Usando il lavoro di Maxwell, il fisico geniale del XX secolo, Albert Einstein, ha successivamente postulato la natura finita della velocità della luce. Ha creato le sue teorie speciali e generali della relatività con questa premessa.

La fisica moderna dà un diverso significato alla nozione di azione a distanza. Le forze, che si riducono con la distanza secondo la legge dell'inverso del quadrato (r^-n) sono considerate essere forze che agiscono a lunga distanza. Esse comprendono le forze elettromagnetiche e di gravità, che diminuiscono proporzionalmente all'inverso del quadrato della distanza, e agiscono sugli su oggetti nel mondo in condizioni normali.

Il mondo atomico ha diverse forze, che si riducono rapidamente con la distanza. Esse includono interazioni forti e deboli, che agiscono sugli oggetti nel mondo delle particelle elementari.

Definizione dell’intensità di un campo elettrico

L’intensità di un campo elettrico è un vettore. Ciò caratterizza il campo elettrico a un dato punto ed è pari al rapporto della magnitudine della forza che agisce su una carica elettrica stazionaria, che si trova in questo punto, e la magnitudine della carica. È denotata con la lettera E e calcolata usando la formula:

E = F/q

dove E è il vettore dell’intensità del campo elettrico, F è il vettore della forza, applicata alla carica di punto, e q è la carica dell'oggetto.

Ogni punto nello spazio ha il proprio valore per l’intensità del vettore di campo elettrico, in quanto il campo elettrico può cambiare con il tempo. Inoltre, quando descriviamo l’intensità del vettore del campo elettrico includiamo non solo le coordinate per lo spazio ma anche il tempo.

E = f (x, y, z, t)

In SI l’intensità del campo elettrico è misurata in volt per metro (V/m) o in newton per coulomb (N/C).

Inoltre, sono usate anche le unità derivate da volt per metro, incluso volt per centimetro (V/cm). Nell'ingegneria elettrica sono anche usati kilovolt per metro (kV/m) e kilovolt per centimetro (kV/cm).

I paesi che non usano il sistema metrico per la distanza usano invece volt per pollice (V/in).

La fisica dell’intensità di un campo elettrico

Come abbiamo discusso in precedenza, i calcoli per campi elettrici vettoriali (cioè calcolando l’intensità dei campi elettrici) di oggetti fisici sono effettuati utilizzando le equazioni di Maxwell per l'elettrostatica, e usando il teorema della divergenza di Gauss, che è parte delle equazioni di Maxwell.

Quando si eseguono questi calcoli dobbiamo tenere in mente le peculiarità dei comportamenti dei campi elettrici in diversi mezzi, dalle loro manifestazioni a seconda della conduttività del materiale o della sostanza.

Campo elettrico in dielettrici

Quando un campo elettrico di elevata intensità agisce su un oggetto costituito da un dielettrico, le molecole polari all'interno di questo oggetto che sono state precedentemente orientate a caso di solito si riorientano verso il campo elettrico. Ciò si chiama polarizzazione. Anche quando il campo elettrico smette di agire sull'oggetto, questo nuovo orientamento è preservato. Per riportare le molecole al loro stato iniziale dobbiamo applicare un campo che ha l'orientamento opposto rispetto a questo oggetto.

Questo fenomeno è chiamato isteresi dielettrica. Ci sono altri modi per portare il dielettrico al suo stato originale. Il modo più comune include il riscaldamento dell'oggetto, che causa una transizione di fase.

Questi tipi di materiali sono chiamati ferroelettrici. Questi includono materiali, che hanno un circuito di isteresi dielettrica molto alto e possono restare polarizzati per lungo tempo. Noi chiamiamo questi materiali elettreti e possiamo pensarli come equivalenti di magneti permanenti, che creano un campo elettrico permanente.

Va notato che i ferroelettrici non hanno nulla a che fare con il ferro. Essi hanno preso nome dal fenomeno della ferroelettricità, che è la proprietà che rende i ferroelettrici simili al ferromagnetismo.

Quando un campo elettrico alternato agisce sulle molecole di un materiale dielettrico, le molecole iniziano ad agire in modo diverso. Esse riallineano costantemente le loro cariche con ogni metà periodo del campo applicato ad esse. Conosciamo questi comportamenti grazie a J. C. Maxwell, che ha presentato la nozione di corrente di spostamento.

Questo fenomeno si manifesta quando la corrente alternata viene applicata a cariche legate, cioè gli elettroni e i nuclei degli atomi di molecole dielettriche. Il campo elettrico li fa vibrare rispetto al centro della molecola.

Campo elettrico sulla superficie di metalli

L'effetto di un campo elettrico sui metalli è abbastanza diverso. Poiché i metalli hanno cariche libere (elettroni) in relazione a qualsiasi campo elettrico o elettromagnetico, essi diventano simili a uno specchio ottico che riflette la luce.

Gran parte delle antenne direzionali per segnali radio sono costruite usando questo principio. Indipendentemente dalla struttura dell'antenna essa ha sempre il componente principale, il deflettore, che può amplificare notevolmente il segnale e quindi migliorare la qualità della rilevazione del segnale. Questo deflettore può essere di qualsiasi forma, può anche essere molto simile a uno specchio, a forma di deflettore parabolico di un'antenna per segnali satellitari. Essenzialmente, il deflettore può essere un'unità che concentra l’intensità del campo elettrico.

Poiché i metalli riflettono campi elettrici ed elettromagnetici, questa proprietà è usata nella gabbia di protezione elettrostatica conosciuta come gabbia di Faraday. I materiali di queste gabbie isolano completamente lo spazio nel loro interno dagli effetti di campo elettrici ed elettromagnetici. Il genio dell'elettricità Nikola Tesla conosceva bene questa proprietà e sorprese il suo pubblico apparendo all'interno di una gabbia circondata da un alone di scariche elettriche, generate da un trasformatore risonante. Ora lo chiamiamo trasformatore di Tesla o bobina di Tesla.

Nel 1997 Austin Richards, un fisico della California ha creato un dispositivo protettivo flessibile che protegge l'indossatore dalle scariche elettrostatiche di una bobina di Tesla. Grazie a questa invenzione è stato rappresentato dal 1998 come Dr. Megavolt nello spettacolo "The Burning Man".

Le moderne sale conferenze intese per incontri segreti sono anche costruite utilizzando la gabbia di Faraday. Dobbiamo ricordare che i ricercatori dei laboratori segreti del KGB sono stati in grado di ottenere questa tecnologia ad un certo punto della storia. Essi avevano creato cimici come unità isolate nelle pareti portanti dell'edificio. Ciò è stato fatto in base al presupposto che esse generano un segnale di risposta modulato quando esposte a radiazioni, e permetterà di registrare i segreti dei diplomatici americani.

Esempi di sistemi e dispositivi che usano un campo elettrico

Ci sono numerosi esempi di utilizzo del campo elettrico e ci sono tanti esempi di schermatura da effetti del campo elettrico.

Microscopio a effetto tunnel (STM)

Uno dei principi di funzionamento di un microscopio a effetto tunnel (STM) è la creazione di un campo elettrico tra il campione e la sonda di forza tale che supera la funzione lavoro degli elettroni che lasciano il campione. Ciò è fatto creando una differenza di potenziali tra la sonda e il campione, e avvicinandoli in modo che ci sia meno di 1 nanometro tra di essi. Possiamo poi mappare la superficie del campione e avare un'idea del suo profilo misurando la corrente di tunneling mentre si muove la sonda sulla superficie del campione.

Poiché questo dispositivo è molto sensibile alle vibrazioni meccaniche, gli ambienti in cui sono disposti microscopi a effetto tunnel hanno proprietà speciali. Una di esse è il buon isolamento sonoro — la superficie dei pavimenti, soffitti e finestre deve essere coperta con materiali che assorbono le vibrazioni causate dalle onde sonore.

Dispositivi di misurazione e di allarme

I requisiti di protezione dell'ambiente di lavoro classificano gli edifici in base all’intensità del campo elettrico presente in essi. A seconda di questo livello, il tempo trascorso in queste strutture è fortemente regolamentato. La potenza del campo elettrico è misurata usando vari dispositivi.

I meteorologi monitorano il campo elettrico della Terra misurando la sua intensità sulla superficie e nei vari strati atmosferici, usando palloni sonda.

Gli elettricisti che lavorano con linee di alta tensione usano vari dispositivi di avvertimento per monitorare l’intensità del campo elettrico. Questi dispositivi avvertono quando i valori raggiungono il punto critico che è considerato pericoloso.

Protezione elettrostatica ed elettromagnetica

Tornando indietro nel tempo, nel 1836 Faraday ha usato un dispositivo di schermatura che ha inventato. È stato progettato per proteggere l'ambiente in cui eseguiva gli esperimenti chimici dall'effetto dell'elettrostatica. Ora questo dispositivo è noto come gabbia di Faraday. La struttura può essere realizzata in materiale conduttivo perforato solido o da una gabbia conduttiva.

Lo stesso dispositivo può essere usato con successo per bloccare la radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda significativamente più lunga rispetto alle dimensioni delle celle della gabbia o fori nella struttura creata con una lamiera di metallo perforata.

La tecnologia moderna usa le gabbie di Faraday nei laboratori di fisica e impianti di sperimentazione, in laboratori di chimica analitica e in dispositivi di misurazione. Esse sono anche installate in sale conferenza equipaggiate per riunioni segrete e sono state installate anche nella sala usata per le riunioni del conclave dei cardinali in Vaticano, durante l'elezione dell'ultimo Papa.

Le gabbie di Faraday sono usate anche in alcuni centri diagnostici e ospedali, ad es. sale in cui sono eseguite risonanze magnetiche.

Anche i comuni forni a microonde che utilizziamo a casa hanno una gabbia di Faraday. La finestra trasparente che ci consente di guardare all'interno non è penetrabile dalle radiazioni a microonde in quanto è coperta con rete conduttiva, le cui celle sono molto più piccole rispetto alla lunghezza d'onda delle radiazioni elettromagnetiche usate nel forno.

La schermatura dei fili del connettore e i cavi coassiali è ampiamente usata nell'elettronica radio, ingegneria di computer e tecnologie di comunicazione per schermatura delle radiazioni elettromagnetiche esterne da interferenze con il lavoro dei cavi e anche per prevenire che le radiazioni elettromagnetiche interne si disperdano per l'ambiente. Possiamo anche chiamare questi schermi gabbie di Faraday.

Esperimenti sugli effetti del campo elettrico su metalli e gas

Dato che misurazioni precise dell’intensità del campo elettrico richiedono dispositivi specialistici, qui daremo uno sguardo alle proprietà di un campo elettrico usando semplici dispositivi disponibili.

Lampada al plasma

Utilizziamo una lampada a neon, una fluorescente o qualsiasi altra lampada a scarica di gas riempita con un gas inerte come un indicatore dell’intensità del campo elettrico che stiamo misurando. Possiamo utilizzare un globo di plasma per generare un campo elettrico. Possiamo generare un campo elettrico alternato ad alta potenza con una frequenza di circa 25 kHz.

Se poniamo la nostra lampada accanto alla sfera isolante del globo di plasma, inizierà a brillare. Ciò accade anche quando la lampada è rotta, ma il suo tubo è intatto. L'incandescenza è un indicatore della presenza del campo elettrico.

Questa incandescenza è possibile perché il campo elettrico penetra il vetro che avvolge entrambe le lampade. Il campo elettrico eccita gli elettroni della copertura superiore di atomi di gas e quando questi atomi ritornano al loro stato normale generano luce.

Se si mette la mano accanto al globo al plasma, il filo al plasma diventa sempre più spesso, perché nel punto in cui la mano è più vicina alla lampada l’intensità del campo elettrico è aumentata.

Uso di un oscilloscopio per stimare l’intensità di un campo elettrico

Colleghiamo una sonda fatta di un pezzo di filo di circa 15 cm all'ingresso dell'oscilloscopio. Ora avviciniamo questa sonda a un globo al plasma. Possiamo vedere le oscillazioni con la stessa frequenza di 25 kHz e l'ampiezza di 25 volt. Una tensione alternata elevata è applicata all'elettrodo del globo. Ciò genera un campo elettrico variabile nello spazio intorno all'area. Possiamo vedere che quando aumenta la distanza tra la lampada e la sonda, l'intervallo di segnale diminuisce come nelle immagini 1-3. La riduzione di ampiezza del segnale visualizzato sull'oscilloscopio ci dice che l’intensità del campo elettrico si riduce con la distanza.

Schermatura del campo elettromagnetico

Colleghiamo un cavo di misurazione schermato all'ingresso dell'oscilloscopio come nell'illustrazione 4. L'intervallo di segnale registrato dall'oscilloscopio scenderà quasi a zero. La schermatura del cavo agisce come una gabbia di Faraday, prevenendo che i segnali elettromagnetici generati dalla sonda al plasma si aggiungano al conduttore del cavo coassiale.

Questo articolo è stato scritto da Sergey Akishkin.