Что такое электрическое поле в физике. Как оно возникает и какими свойствами обладает. Как рассчитать напряженность электрического поля. Где применяется на практике.
Что такое электрическое поле и как оно возникает
Электрическое поле — это особый вид материи, который возникает вокруг электрически заряженных тел. Оно проявляется в том, что на другие заряженные частицы или тела в этой области пространства действует электрическая сила.
Основные свойства электрического поля:
- Создается электрическими зарядами и заряженными телами
- Действует силой на заряженные частицы, помещенные в поле
- Является векторной величиной — имеет направление и численное значение в каждой точке
- Может существовать в вакууме и различных средах
- Способно совершать работу при перемещении зарядов
Электрическое поле возникает вокруг любого электрически заряженного объекта — от элементарных частиц до крупных заряженных тел. Чем больше заряд, тем сильнее создаваемое им поле.
Напряженность электрического поля
Основной характеристикой электрического поля является напряженность. Это векторная физическая величина, которая определяет силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.
Напряженность электрического поля обозначается буквой E и измеряется в ньютонах на кулон (Н/Кл) или вольтах на метр (В/м).
Формула для расчета напряженности:
E = F / q
где F — сила, действующая на заряд q в данной точке поля.
Для точечного заряда напряженность поля на расстоянии r от него рассчитывается по формуле:
E = k * Q / r^2
где k — коэффициент пропорциональности, Q — величина заряда.
Как изображают электрическое поле
Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии. Это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности поля.
Основные свойства силовых линий электрического поля:
- Начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
- Никогда не пересекаются
- Густота линий показывает величину напряженности поля
- В однородном поле линии параллельны и расположены на одинаковом расстоянии
Силовые линии позволяют наглядно изобразить структуру электрического поля вокруг заряженных тел различной формы и конфигурации.
Потенциал электрического поля
Еще одной важной характеристикой электрического поля является потенциал. Это скалярная энергетическая характеристика, показывающая работу, которую совершает поле при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.
Потенциал обозначается греческой буквой φ (фи) и измеряется в вольтах (В).
Формула для расчета потенциала точечного заряда:
φ = k * Q / r
где k — коэффициент, Q — величина заряда, r — расстояние от заряда до точки.
Разность потенциалов между двумя точками поля называется напряжением и определяет работу по перемещению заряда между этими точками.
Виды электрических полей
Различают следующие основные виды электрических полей:
1. Электростатическое поле
Создается неподвижными электрическими зарядами. Его силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
2. Стационарное электрическое поле
Возникает вокруг проводников с постоянным током. Силовые линии замкнуты и не имеют начала и конца.
3. Вихревое электрическое поле
Образуется при изменении магнитного поля. Его силовые линии замкнуты и не имеют источников.4. Квазистационарное поле
Медленно изменяющееся во времени поле, в котором можно пренебречь токами смещения.
Как обнаружить электрическое поле
Существует несколько способов обнаружения и исследования электрического поля:
- С помощью пробных заряженных тел — они будут испытывать действие силы со стороны поля
- По поляризации диэлектриков, помещенных в поле
- С использованием электрометров и других измерительных приборов
- По свечению газов в сильных электрических полях
- С помощью специальных датчиков напряженности поля
В быту электрическое поле можно обнаружить по притяжению мелких кусочков бумаги к наэлектризованным предметам или по появлению искр при снятии синтетической одежды.
Где применяется электрическое поле на практике
Электрическое поле широко используется в различных областях науки и техники:
1. Электронные приборы
В электронно-лучевых трубках, ускорителях заряженных частиц, масс-спектрометрах электрическое поле управляет движением электронов и ионов.
2. Конденсаторы
Электрическое поле в диэлектрике между обкладками позволяет накапливать и хранить электрический заряд.
3. Электрофильтры
Используют для очистки газов от твердых частиц и аэрозолей под действием электрического поля.
4. Электростатическая покраска
Позволяет равномерно наносить краску на поверхности под действием электрического поля.
5. Копировальная техника
В ксероксах и лазерных принтерах электрическое поле используется для переноса тонера на бумагу.
6. Электросепарация
Применяется для разделения сыпучих материалов по электрическим свойствам.
Таким образом, электрическое поле играет важную роль во многих современных технологиях и устройствах. Понимание его свойств и закономерностей необходимо для развития различных областей науки и техники.
Напряженность электрического поля — как найти? Правила и примеры
Покажем, как применять знание физики в жизни
Начать учиться
112.6K
Если потереть ручку о синтетический свитер — к ней начнут притягиваться кусочки бумаги, причем без прямого контакта. Все дело в электрическом поле, которое позволяет заряженным телам взаимодействовать на расстоянии. Этот материал о том, что такое напряженность электрического поля и каковы взгляды на нее в современной физике.
Что такое электрическое поле
Долгое время ученые не могли толком объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым выяснил, что между ними есть некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, который установил, что для воздействия одного такого объекта на другой нужно время, а значит, они взаимодействуют через «посредника».
В современной физике электрическое поле — это некая материя, которая возникает вокруг заряженных тел и обусловливает их взаимодействие. Если речь идет о неподвижных объектах, поле называют электростатическим. |
Тела, имеющие одноименные заряды, будут отталкиваться, а разноименные — притягиваться.
Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова
Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков
Определение напряженности электрического поля
Для исследования электрического поля используются точечные заряды. Давайте выясним, что это такое.
Точечным зарядом называют такой наэлектризованный объект, размерами которого можно пренебречь, поскольку он слишком мал в сравнении с расстоянием, отделяющим этот объект от других заряженных тел. |
Теперь поговорим непосредственно о напряженности, которая является одной из главных характеристик электрического поля. Это векторная физическая величина. В отличие от скалярных она имеет не только значение, но и направление.
Для того, чтобы исследовать электрическую напряженность, нужно в поле заряженного тела q1 поместить еще один точечный заряд q2 (допустим, они оба будут положительными). Со стороны q1 на q2 будет действовать некая сила. Очевидно, что для расчетов нужно иметь в виду как значение данной силы, так и ее направление.Напряженность электрического поля — это показатель, равный отношению силы, действующей на заряд в электрическом поле, к величине этого заряда. |
Напряженность является силовой характеристикой поля.
Она говорит о том, как сильно влияние поля в данной точке не только на другой заряд, но также на живые и неживые заряженные объекты.
Важно!
Иногда можно услышать оборот «напряжение электрического поля», но это ошибка — правильно говорить «напряженность».
Единицы измерения и формулы
Из указанного выше определения понятно, как найти напряженность электрического поля в некой точке:
E = F / q, где F — действующая на заряд сила, а q — величина заряда, расположенного в данной точке.
Если нужно выразить силу через напряженность, мы получим следующую формулу:
Направление напряженности электрического поля всегда совпадает с направлением действующей силы. Если взять отрицательный точечный заряд, формулы будут работать аналогично.
Поскольку сила измеряется в ньютонах, а величина заряда — в кулонах, единицей измерения напряженности электрического поля является Н/Кл (ньютон на кулон).
Принцип суперпозиции
Допустим, у нас есть несколько зарядов, которые взаимодействуют. Вокруг каждого существует свое электрическое поле. Тогда существует некая точка или область, в которой одновременно существует электрическое поле нескольких зарядов. Чему равна общая напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами?
Было установлено, что общая сила воздействия на конкретный заряд, расположенный в поле, является суммой сил, действующих на данный заряд со стороны каждого тела. Из этого следует, что и напряженность поля в любой взятой точке можно вычислить, просуммировав векторно напряженности, создаваемые каждым зарядом в отдельности в той же точке. Это и есть принцип суперпозиции.
Это правило корректно для любых полей, за некоторыми исключениями. Принцип суперпозиции не соблюдается в следующих случаях:
расстояние между зарядами очень мало — порядка 10-15м;
речь идет о сверхсильных полях с напряженностью более 1020в/м.
Но задачи с такими данными выходят за пределы школьного курса физики.
Напряженность поля точечного заряда
У электрического поля, создаваемого точечным зарядом, есть одна особенность — ввиду малой величины самого заряда оно очень слабо влияет на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используют для исследований.
Но прежде чем рассказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, рассмотрим подробнее, как взаимодействуют эти заряды.
Закон Кулона
Предположим, в вакууме есть два точечных заряда, которые статично расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одноименности или разноименности они могут притягиваться либо отталкиваться. В любом случае на них действуют силы, направленные вдоль соединяющей их прямой.
Закон Кулона Модули сил, действующих на точечные заряды в вакууме, пропорциональны произведению данных зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними. |
Силу электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле: где q1 и q2 — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.
В формуле участвует коэффициент пропорциональности k, который был определен опытным путем и представляет собой постоянную величину. Он обозначает, с какой силой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м.
Важно!
Сила взаимодействия двух точечных зарядов остается прежней при появлении сколь угодно большого количества других зарядов в данном поле.
Учитывая все вышесказанное, напряжение электрического поля точечного заряда в некой точке, удаленной от заряда на расстояние r, можно вычислить по формуле:
Итак, мы выяснили, что называется напряженностью электрического поля и от чего зависит эта величина.
Теперь посмотрим, как она изображается графическим способом.
Онлайн-подготовка к ОГЭ по физике поможет снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Линии напряженности
Электрическое поле нельзя увидеть невооруженным глазом, но можно изобразить с помощью линий напряженности. Графически это будут непрерывные прямые, которые связывают заряженные объекты. Условная точка начала такой прямой — на положительном заряде, а конечная точка — на отрицательном.
Линии напряженности — это прямые, которые совпадают с силовыми линиями в системе из положительного и отрицательного зарядов. Касательные к ним в каждой точке электрического поля имеют то же направление, что и напряженность этого поля. |
При графическом изображении силовых линий можно передать не только направление, но и величину напряженности электрического поля (разумеется, условно).
В местах, где модуль напряженности выше, принято делать более густой рисунок линий. Есть и случаи, когда густота линий не меняется — это бывает при изображении однородного поля.
Однородное электрическое поле создается разноименными зарядами с одинаковым модулем, расположенными на двух металлических пластинах. Линии напряженности между этими зарядами представляют собой параллельные прямые всюду, за исключением краев пластин и пространства за ними.
Яна Кононенко
К предыдущей статье
100.6K
Мощность
К следующей статье
Манометр
Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке
На вводном уроке с методистом
Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению
Расскажем, как проходят занятия
Подберём курс
Что такое электрическое поле и какими свойствами оно обладает
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
- Виды полей
- Обнаружение электрического поля
- Практика
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:
youtube.com/embed/oMfwDl8yONc» allowfullscreen=»allowfullscreen»> Виды полей
Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где оно существует. Рассмотрим несколько примеров возникающих полей в различных ситуациях.
- Если заряды неподвижны – это статическое поле.
- Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
- Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
- 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 диэлектрические потери
- Зависимость сопротивления проводника от температуры
- Закон Ома простыми словами
- Книги для электриков
Электрическое поле | Определение, единицы и факты
электрическое поле
Просмотреть все СМИ
- Похожие темы:
- электричество поле напряженность электрического поля встроенное электрическое поле электрический ветер
Просмотреть весь соответствующий контент →
электрическое поле , электрическое свойство, связанное с каждой точкой пространства, когда заряд присутствует в любой форме.
Величина и направление электрического поля выражаются величиной E , называемая напряженностью электрического поля или напряженностью электрического поля или просто электрическим полем. Знание значения электрического поля в точке без каких-либо конкретных знаний о том, что создает поле, — это все, что необходимо для определения того, что произойдет с электрическими зарядами вблизи этой конкретной точки.
Вместо того, чтобы рассматривать электрическую силу как непосредственное взаимодействие двух электрических зарядов, находящихся на расстоянии друг от друга, один заряд считается источником электрического поля, распространяющегося наружу в окружающее пространство, а сила, действующая на второй заряд в это пространство рассматривается как прямое взаимодействие электрического поля со вторым зарядом. Сила электрического поля E в любой точке можно определить как электрическую или кулоновскую силу F , действующую на единицу положительного электрического заряда q в этой точке, или просто E = F / q .
Если второй, или пробный, заряд в два раза больше, результирующая сила удваивается; но их частное, мера электрического поля E , остается неизменной в любой заданной точке. Сила электрического поля зависит от заряда источника, а не от пробного заряда. Строго говоря, введение небольшого пробного заряда, который сам имеет электрическое поле, несколько модифицирует существующее поле. Электрическое поле можно рассматривать как силу на единицу положительного заряда, которая будет действовать до того, как поле будет возмущено присутствием пробного заряда.
Викторина «Британника»
Физика и естественное право
Направление силы, действующей на отрицательный заряд, противоположно направлению силы, действующей на положительный заряд. Поскольку электрическое поле имеет как величину, так и направление, направление силы, действующей на положительный заряд, выбирается произвольно в качестве направления электрического поля. Поскольку положительные заряды отталкиваются друг от друга, электрическое поле вокруг изолированного положительного заряда направлено радиально наружу.
Когда они представлены силовыми линиями или силовыми линиями, электрические поля изображаются как начинающиеся с положительных зарядов и заканчивающиеся отрицательными зарядами. Линия, касающаяся линии поля, указывает направление электрического поля в этой точке. Там, где силовые линии расположены близко друг к другу, электрическое поле сильнее, чем там, где они дальше друг от друга. Величина электрического поля вокруг электрического заряда, рассматриваемого как источник электрического поля, зависит от того, как заряд распределен в пространстве. Для заряда, сосредоточенного почти в точке, электрическое поле прямо пропорционально количеству заряда; оно обратно пропорционально квадрату расстояния в радиальном направлении от центра заряда источника и зависит также от природы среды. Наличие материальной среды всегда уменьшает электрическое поле ниже значения, которое оно имеет в вакууме.
Иногда само электрическое поле может отделяться от исходного заряда и образовывать замкнутые петли, как в случае зарядов, ускоряющихся вверх и вниз по передающей антенне телевизионной станции.
Электрическое поле с сопутствующим магнитным полем распространяется в пространстве в виде излучаемой волны с той же скоростью, что и свет. Такие электромагнитные волны указывают на то, что электрические поля генерируются не только электрическими зарядами, но и изменяющимися магнитными полями.
Величина электрического поля имеет размерность силы на единицу заряда. В системах метр-килограмм-секунда и СИ соответствующими единицами измерения являются ньютоны на кулон, что эквивалентно вольтам на метр. В системе сантиметр-грамм-секунда электрическое поле выражается в единицах дин на электростатическую единицу (эсу), что эквивалентно статвольтам на сантиметр.
Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно пересмотрена и обновлена Адамом Августином.
Электрическое поле
Электрическое поле Электрическое поле определяется как электрическая сила на единицу заряда.
| Index Концепции электрического поля Электромагнитная сила | ||||||||||||
| Вернуться |
Направление поля принимается за направление силы, которую оно должно оказывать на положительный пробный заряд. Электрическое поле направлено радиально наружу от положительного заряда и радиально внутрь к точечному отрицательному заряду.
Окружности представляют собой сферические эквипотенциальные поверхности. В уравнениях, описывающих электрические и магнитные поля и их распространение, обычно используются три константы.
Он содержит единицу силы N для Ньютона, а единицей A является Ампер, единица измерения электрического тока. При установленной магнитной проницаемости электрическая проницаемость принимает значение, определяемое соотношением где скорость света c определяется выражением Это дает значение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве Эти выражения содержат единицы F для фарада, единицы емкости, и C для кулона, единицы электрического заряда. В присутствии поляризуемых или магнитных сред эффективные константы будут иметь разные значения. В случае поляризуемой среды, называемой диэлектриком, сравнение выражается как относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость. В случае магнитных сред может быть указана относительная магнитная проницаемость.
| Индекс Концепции электрического поля | |||
|
Один из них — скорость света c, а два других — электрическая проницаемость свободного пространства ε 0 и магнитная проницаемость свободного пространства μ 0 . Магнитная проницаемость свободного пространства принята равной
Как указано в разделе об электрических и магнитных постоянных, эти две величины не являются независимыми, а связаны с «с», скоростью света и другими электромагнитными волнами.
