Электрическое поле его характеристики: 5.4. Электрическое поле и его характеристики — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Содержание

Электрическое поле: определение, характеристики, свойства

Статья
Видео

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:

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

Основные свойства электрического поля и его характеристики: напряженность, потенциал, индукция

Электрическим полем называется материя, обеспечивающая взаимодействие электрических зарядов в нем. Оно может быть порождено как электрическим зарядом, так и изменяющимся магнитным потоком. В первом случае оно называется электростатическим, во втором — вихревым. Без этого поля не может возникнуть электрический ток, но чтобы знать, как он возникает, следует ознакомиться с основными характеристиками электрческого поля.

Природа явления
Основные характеристики
- Напряженность поля
- Потенциалы и их разность
- Электрическая индукция
Статическое и вихревое поле

Природа явления

Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.

Наблюдение за электрическими полями показывает, что они работают аналогично гравитационным. Описывается это законом Кулона, который в общем виде выглядит так:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

где q₁ и q₂ — величины зарядов в кулонах, ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.

Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.

Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:

Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу. Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.
Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.

Силовые линии электрического поля, индуцированного электрическим зарядом, незамкнуты. Замкнуты они только у вихревого поля, которое формируется вокруг изменяющегося магнитного потока.

Таковы основные свойства электрического поля. Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами. Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.

Основные характеристики

Их можно описать при помощи математических закономерностей, а некоторые — выразить графически. Последние характеристики являются векторными, то есть имеющими направление. Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось.

Основными параметрами поля являются:

напряженность;
потенциал;
индукция.

Напряженность поля

Это силовая характеристика электрического поля. Величина это векторная, и она характеризует силу, с которой поле воздействует на заряд в конкретной точке. Математически это выражается так:

Ē = F̄/q.

Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Таким образом, в каждой точке поля его напряженность разная, и зависит она от заряда, который оно создает, условий среды и величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния до точки.

Если поле создано двумя зарядами, то результирующая напряженность рассчитывается графически — при помощи сложения векторов напряженностей от каждого отдельного источника. Этот способ получил название принципа суперпозиции.

Потенциалы и их разность

Электрическое поле способно совершать работу. Если пробный заряд передвигать в поле, то работа, выполненная эл. полем, будет зависеть от начального и конечного расстояние от пробного заряда до центра эл. поля. Сравнить это можно с человеком, который собрался прыгать с крыши. Пока он находится на высоте десятого этажа, его потенциальная энергия будет равна:

W = -GMm / Rr.

Или если учесть соразмерность земли и человека:

W = mgh.

Пока человек не прыгнул, он обладает потенциальной энергией. Когда же он, наконец, упадет, гравитационное поле совершит работу, численно равную вышеуказанной величине. При этом не учитывается горизонтальное перемещение — эту работу совершал сам покойный.

Электрическое поле работает сходным образом. Пробный заряд q₁, помещенный в него, обладает потенциальной энергией:

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

При перемещении в другую точку, когда расстояние r будет иным, поле совершит работу, равную:

A = W₁ — W₂ = q₁ q₀ /4 π ε ε₀ r₁ — q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

Если из обоих слагаемых выделить параметр, который относится непосредственно к полю, а не к пробному заряду, он будет выглядеть так:

φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

И вот это φ и называется потенциалом поля в точке. Исходя из всех написанных выше формул, можно выразить эту величину так:

φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Таким образом, работа, которую совершит поле, будет выражена следующим образом:

A = W₁ — W₂ = φ₁ q₁ — φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ — φ₂).

Выражение в скобках будет называться разностью потенциалов, или напряжением. Она показывает, какую работу совершит поле по перемещению пробного заряда.

A/q = (φ₁ — φ₂).

Единица этой величины, Дж/Кл, получила название Вольт, в честь ученого Алессандро Вольта. От этой единицы отсчитывают размерность и других величин в электростатике и электродинамике. Например, напряженность поля измеряется в В/м.

Электрическая индукция

Эта величина характеризует электрическое поле, что называется, в чистом виде. В реальности мы имеем дело с полем в различных средах, имеющих определенную диэлектрическую проницаемость. Несмотря на то что для большинства веществ это табличная величина, в ряде случаев она непостоянна, а ее зависимость от параметров среды (температура, влажность и т. д. ) нелинейна.

Такое явление характерно для сегнетовой соли, титаната бария, ниобата лития и ряда других.

Электрическая индукция измеряется в Кл/м ², и ее величина выражается формулой:

D = ε ε₀ E.

Это тоже векторная величина, направление которой совпадает с направлением напряженности.

Как упоминалось в начале статьи, электрическое поле может возникать вокруг переменного магнитного поля. Оно даже создает ток, что может быть достигнуто двумя путями:

изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
изменением положения самого проводника.

При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.

Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.

Параметр	Электростатическое	Вихревое
форма силовых линий	разомкнутые	замкнутые
чем создается	неподвижным зарядом	переменным магнитным потоком
источник напряженности	заряд	отсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуре	нулевая	создает ЭДС индукции

Нельзя сказать, что первое и второе поле никак между собой не связаны. Это не так. В реальности работает такая закономерность: неподвижный заряд создает электростатическое поле, которое движет заряд в проводнике; движущийся заряд порождает постоянное магнитное поле. Если заряд движется с непостоянной скоростью и направлением, то магнитное поле становится переменным и создает вторичное электрическое. Таким образом, электрическое поле и его характеристики влияют на возможность возникновения магнитного и его параметры.

Электрическое поле: определение, классификация, характеристики

Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Рис. 1. Определение понятия “электрическое поле”

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

реагирует на присутствие заряженных частиц;
взаимодействует с магнитными полями;
является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.

В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).

Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.

Рис. 3. Электрический диполь Рис. 4. Вихревые поля

Характеристики

Основными характеристиками являются:

потенциал;
напряжённость;
напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ_∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε₀⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

электростатического;
дипольного;
системы и одноимённых зарядов;
однородного поля.

Рис. 7. Линии напряжённости различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.

Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.

Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

метод сеток или конечных разностей;
метод эквивалентных зарядов;
вариационные методы;
расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.

Электрическое поле и его характеристики

У многих возникают вопросы, что же именно представляет собой электрическое поле? В чём разница между электрическим полем и полем электромагнитным? И самый главный вопрос, как поле может влиять на окружающие предметы и человека, и как можно измерить силу этого воздействия?

Вопросов много для одного понятия, поэтому нужно во всём последовательно разобраться. Для этого лучше всего строго разделить все понятия, что к чему относится.

Электрическое и электромагнитное поле

В первую очередь, стоит заметить, что нельзя путать эти два понятия, несмотря на то, что они немного схожи. В природе существует электрические и магнитные поля, взаимодействующие между собой и, при определённых условиях могут порождающие друг друга.

Электромагнитное поле – это итог взаимодействия электрического и магнитного полей, фундаментальное физическое поле, которое возникает вокруг заряженных тел. Таким образом, электрическое поле – это часть поля электромагнитного, которое в свою очередь порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Это не что иное, как возмущения электромагнитного поля.

Электрическое поле

Как уже было сказано ранее, электрическое поле – это часть фундаментального электромагнитного поля, это особый вид материи, который существует вокруг заряженных тел или частиц.

Оно может существовать и в свободном виде, когда происходят изменения магнитного поля, так как они напрямую зависят друг от друга и взаимодействуют между собой. Примером такого изменения могут быть электромагнитные волны.

Итак, электрическое поле возникает в пространстве вокруг заряженных тел и представляет собой вид материи, невидимой для обычного зрения человека. Но и его можно зафиксировать и измерить, благодаря тем характеристикам, которыми оно обладает.

На находящиеся в поле тела постоянно действуют электрические силы, они определяют запас энергии, которым обладает данное электрическое поле. На схемах электрическое поле изображают в виде непрерывных силовых линий – это традиционное представление, которое принято во всём мире.

Силовые линии не являются вымыслом, они фактически существуют на самом деле. Если в электрическое поле поместить частички гипса, предварительно взвешенные в масле, то они будут поворачиваться вдоль линий, так можно определить направление.

Напряжённость электрического поля

Электрическое поле можно измерить. В качестве количественного показателя вводится такое понятие, как напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика. Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри его с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Другими словами, напряжённость – это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда. В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность»

Электрический потенциал

У электрического поля можно измерить различные количественные характеристики, можно определить его интенсивность и силу воздействия. По этим показателям можно судить о том воздействии, которое оно может оказывать на тела и на человека.

Но у электрического поля есть и другая характеристика, которую можно назвать запасом энергии. Этот запас энергии является способностью электрического поля совершать работу.

Что же именно подразумевается под этим? Энергию можно накопить, для этого, например, можно сжать или растянуть пружину, при этом пружина будет совершать определённую работу за счёт той энергии, которая появляется в ней.

Точно также обстоит дело и с электрическим полем. Стоит только внести в него заряженное тело или частицу, то сразу высвобождается запас энергии. Заряд начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу. Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты.

Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда.

При рассмотрении понятия электрического потенциала можно говорить и о разности потенциалов. Можно представить себе человека, который поднимается по лестнице. Чтобы ему подняться на десятый этаж, ему понадобится больше энергии, чем для того, чтобы подняться на седьмой.

Так и в электрическом поле, чем дальше нужно переместить заряд, тем большую энергию нужно затратить.

В общих словах, электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Кстати, в некоторых частных случаях, когда изменения электрического и магнитного полей не происходит, электрический потенциал называется электростатическим. Это более упрощённый случай, и напряжённость высчитывается по более простой формуле.

Электрическое напряжение

Рассмотрев понятие электрического потенциала, можно переходить к ещё одной характеристике электрического поля – напряжению. Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов.

Разница потенциалов, как правило, гораздо важней, так как чаще приходится иметь дело именно с этой характеристикой. При перемещении заряда в поле, потенциал определяет ту работу, которая совершается при этом.

Таким образом, напряжение определяется отношением работы электрического поля A к величине заряда q, который перемещается в нём. Если вспомнить пример с человеком, который поднимается по лестнице, то в этом случае нас мало интересуют конкретные высоты каждого этажа, на который ему нужно подняться. Нам гораздо важней именно то расстояние, которое нужно пройти, разница между ними.

Т. е., это и есть разница потенциалов, если ввести ещё и понятие груза, который нужно поднять на верхний этаж, можно понять, что значит напряжение.

Между двумя точками электрического поля существует разница потенциалов и возникает напряжение. Оно характеризует тот запас энергии, который может высвободиться при перемещении заряда между этими двумя точками внутри рассматриваемого электрического поля.

Все характеристики электрического поля зависят друг от друга, каждую их них можно определить, если известны другие. Напряжение – один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Электрическое поле в природе и в быту

Электрические поля встречаются повсеместно, мы буквально окружены ими. Как правило, оно неразрывны с магнитными полями, образуя единые электромагнитные поля. Они возникают вокруг любого заряженного тела. Как пример – его можно получить, потерев обычную шариковую ручку о волосы.

Возле экранов телевизоров с электронно-лучевой трубкой или таких же мониторов компьютера, также возникает электрическое поле. Его можно даже почувствовать, стоит лишь поднести руку, и волосы начнут притягиваться. И таких примеров можно найти очень много.

16. Электрическое поле и его характеристики. Сила Кулона.

Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Свойства электрического поля:

• порождается электрическим зарядом;

• обнаруживается по действию на заряд;

• действует на заряды с некоторой силой.

Точечный заряд – модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь в условиях

данной конкретной задачи ввиду малости размеров тела по сравнению с расстоянием от него до

точки определения поля.

Пробный заряд – точечный заряд, который вносится в данное электростатическое поле для измерения его характеристик. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов – источников измеряемого поля и тем

самым не изменить создаваемое ими поле.

Электрический диполь – система двух разноименных по знаку и одинаковых по величине точечных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии один от другого. Вектор l, проведенный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя. Вектор

p = q*l называется электрическим моментом диполя.

1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: Е = F/q; [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий –это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности.

Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:

2. энергетическая характеристика – потенциал j — это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = DЕ_р/q. [j] = [1 Дж/Кл ] =[1 В ].

Dj = j₂ — j₁– изменение потенциала;

U = j₁ — j₂— разность потенциалов (напряжение)

Физический смысл напряжения: U = j₁ — j₂ = А/q — — напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.

U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.

3. Индукция электрического поля. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой поля и определяется не только зарядами, создающими поле, но зависит и от свойств среды, в которой находятся эти заряды.

Часто бывает удобно исследовать электрическое поле, рассматривая только заряды и их расположение в пространстве, не принимая во внимание свойств окружающей среды. Для этой цели используется векторная величина, которая называется электрической индукцией или электрическим смещением. Вектор электрической индукции D в однородной изотропной среде связан с вектором напряженности Е соотношением

Единицей измерения индукции электрического поля служит 1 Кл/ м². Направление вектора электрического смещения совпадает с вектором Е. Графическое изображение электрического поля можно построить с помощью линий электрической индукции по тем же правилам, что и для линий напряженности

Графическое изображение электрических полей.

Электрические поля можно изображать графически: при помощи силовых линий или эквипотенциальных поверхностей (которые взаимно перпендикулярны между собой в каждой точке поля.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называются линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.

Эквипотенциальные поверхности – это поверхности равного потенциала.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые (см. § 22) использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материальной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q₁ и Q₂и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F<0) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F>0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

(78.1)

где F₁₂ — сила, действующая на заряд Q₁ со стороны заряда Q₂, r₁₂ — радиус-вектор, соединяющий заряд Q₂ с зарядом Q₁, r = |r₁₂| (рис. 117). На заряд Q₂ со стороны заряда Q₁ действует сила F₂₁ = –F₁₂.

В СИ коэффициент пропорциональности равен

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

Электрическое поле. виды и работа. применение и свойства

Свойства

У каждого такого явления есть определенные особенности, которые постоянно остаются неизменными. Так, какова бы ни была энергетическая характеристика электрического поля, можно выделить следующие его свойства:

Зрительно обнаружить такое явление невозможно, как и определить его параметры. Для этого необходимы специальные приборы.
Любое электрическое поле обладает некоторым воздействием на заряды, при помощи которых и возникает. Они же влияют на его обнаружение.
Электрическое поле абсолютно реально и материально. Оно существовало и будет существовать вне зависимости от наших представлений, верований, знаний и так далее.
Любое электрическое поле обладает такими характеристиками, как напряженность, потенциал и напряжение.

Современная наука уже умеет сознательно создавать такие явления и даже управлять ими в определенных пределах, но еще очень далека от того, чтобы полноценно поставить их на службу человеку.

Напряженность поля точечного заряда

Рассмотрим напряженность электрического поля уединенного точечного заряда либо заряженной сферы.

Из определения напряженности следует, что для случая взаимодействия двух точечных зарядов, зная силу их кулоновского взаимодействия, можем получить величину напряженности электрического поля, которое создается зарядом q в точке на расстоянии r от него до точки, в которой исследуется электрическое поле:

Данная формула показывает, что напряженность поля точечного заряда изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от данного заряда, то есть, например, при увеличении расстояния в два раза, напряженность уменьшается в четыре раза.

Линии напряженности

Попытаемся теперь охарактеризовать электростатическое поле нескольких зарядов. В этом случае необходимо воспользоваться сложением векторных величин напряженностей всех зарядов. Внесем пробный заряд и запишем сумму векторов сил, действующих на этот заряд. Результирующее значение напряженности получится при разделении значений этих сил на величину пробного заряда. Данный метод называется принципом суперпозиции.

Напряженность электростатического поля принято изображать графически при помощи силовых линий, которые также называют линиями напряженности. Такое изображение можно получить, построив вектора напряженности поля в как можно большем количестве точек вблизи данного заряда или целой системы заряженных тел.

Рис. 4. Линии напряженности электрического поля точечного заряда (Источник)

Рассмотрим несколько примеров изображения силовых линий. Линии напряженности выходят из положительного заряда (рис. 4,а), то есть положительный заряд является источником силовых линий. Заканчиваются линии напряженности на отрицательном заряде (рис. 4,б).

Рассмотрим теперь систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, находящихся на конечном расстоянии друг от друга (рис. 5). В этом случае линии напряженности направлены от положительного заряда к отрицательному.

Большой интерес представляет электрическое поле между двумя бесконечными плоскостями. Если одна из пластин заряжена положительно, а другая отрицательно, то в зазоре между плоскостями создается однородное электростатическое поле, линии напряженности которого оказываются параллельными друг другу (рис. 6).

Рис. 5. Линии напряженности системы двух зарядов (Источник)

Рис. 6. Линии напряженности поля между заряженными пластинами (Источник)

В случае неоднородного электрического поля величина напряженности определяется густотой силовых линий: там, где силовые линии гуще, величина напряженности поля больше (рис. 7).

Рис. 7. Неоднородное электрическое поле (Источник)

Определение: Линиями напряженности называют непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с векторами напряженности в этой точке.

Линии напряженности начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отрицательных и являются непрерывными.

Изображать электрическое поле с помощью силовых линий мы можем так, как сами посчитаем нужным, то есть число силовых линий, их густота ничем не ограничивается. Но при этом необходимо учитывать направление векторов напряженности поля и их абсолютные величины.

Очень важно следующее замечание. Как говорилось ранее, закон Кулона применим только для точечных покоящихся зарядов, а также заряженных шариков, сфер

Напряженность же позволяет характеризовать электрическое поле вне зависимости от формы заряженного тела, которое это поле создает.

Список литературы

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – М.: Просвещение, 2008.
Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. — М.: Дрофа, 2000.
Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013.
Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. 10 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2009.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Nauka.guskoff.ru (Источник).
Youtube (Источник).
Physics.ru (Источник).

Домашнее задание

Стр. 378: № 1–3. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. — М.: Дрофа, 2000. (Источник)
С каким ускорением движется электрон в поле напряженностью 10 кВ/м?
В вершинах равностороннего треугольника со стороной a находятся заряды +q, +q и –q. Найти напряженность поля Е в центре треугольника.

Определение

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

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

Такое поле называют еще и кулоновским.

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

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

Примечания

// Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 246. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
Для любой частицы её электрический заряд постоянен. Измениться он может только если от частицы что-то заряженное отделится или если к ней что-то заряженное присоединится.
Иногда его значения могут оказываться и одинаковыми в разных точках пространства; если E→{\displaystyle {\vec {E}}} одинаков всюду в пространстве (или в какой-то области), говорят об однородном электрическом поле — это частный, наиболее простой, случай электрического поля; в реальности электрическое поле может быть однородным лишь приближённо, то есть различия E→{\displaystyle {\vec {E}}} в разных точках пространства есть, но иногда они небольшие и ими можно пренебречь в рамках некоторого приближения.
Электромагнитное поле может быть выражено и по-другому, например через электромагнитный потенциал или в несколько иной математической записи (в которой вектор напряжённости электрического поля вместе с вектором магнитной индукции входит в тензор электромагнитного поля), однако все эти способы записи тесно связаны между собой, таким образом, утверждение о том, что поле E→{\displaystyle {\vec {E}}} — одна из основных составляющих электромагнитного поля, не утрачивает смысла.
Хотя исторически многие из них были открыты раньше.

Практика

Материалы по теме:

Что такое диэлектрические потери
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Закон Ома простыми словами
Книги для электриков

Основные характеристики

Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось

Основными параметрами поля являются:

напряженность;
потенциал;
индукция.

Напряженность поля

Ē = F̄/q.

Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Потенциалы и их разность

W = -GMm / Rr.

Или если учесть соразмерность земли и человека:

W = mgh.

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

При перемещении в другую точку, когда расстояние r будет иным, поле совершит работу, равную:

A = W₁ — W₂ = q₁ q₀ /4 π ε ε₀ r₁ — q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Таким образом, работа, которую совершит поле, будет выражена следующим образом:

A = W₁ — W₂ = φ₁ q₁ — φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ — φ₂).

A/q = (φ₁ — φ₂).

Электрическая индукция

Такое явление характерно для сегнетовой соли, титаната бария, ниобата лития и ряда других.

D = ε ε₀ E.

Это тоже векторная величина, направление которой совпадает с направлением напряженности.

Применение

Характеристики электрических полей подразумевают наличие двух основных свойств, которые и используются человеком. Так, они могут формировать ионы, а погруженные в жидкость электроды позволяют без особых усилий разделять ее, грубо говоря, по фракциям. Именно в основе этих свойств и лежит использование электрических полей.

Медицина. Тут применяется система воздействия на пораженное место направленными ионами. В результате они способствуют повышению скорости регенерации, очищают рану, убивают микробов и так далее. Кроме того, свойства и характеристики электрических полей позволяют им «вибрировать» с большой частотой. Эта особенность также используется. Благодаря ей можно повысить температуру некоторых отдельных частей тела, что будет способствовать улучшению кровотока и положительно скажется на здоровье.
Очистка. В этой сфере используется система разделения жидкостей. Так, именно подобная особенность применяется в очистных сооружениях. Вода, в которой растворено огромное количество всевозможного мусора, становится очень вредной. При этом с ней сложно что-то сделать, ведь далеко не все фильтры смогут справиться с проблемой. В такой ситуации и применяются электрические поля, которые разделяют воду, отделяя от нее часть загрязнений. В результате получается достаточно простой, быстрый и дешевый этап очистки.
Химия. Эта наука использует в промышленности то же самое свойство разделения жидкостей. Оно активно применяется в лабораторных условиях, но чаще всего его можно встретить в сфере добычи нефти. В некоторых случаях она получается достаточно загрязненной и требуется потратить много времени средств, чтобы в конечном итоге возник нужный продукт. Справиться с этим сильно помогает электрическое поле. Оно разделяет нефть, убирая большую часть загрязняющих элементов и тем самым значительно облегчая ее дальнейшую обработку.

Существует и множество других вариантов использования. Например, электромагнитное поле, в состав которого входит и рассматриваемое в этой статье явление, может служить беспроводной системой передачи электричества к разным приборам. К сожалению, в большинстве случаев все подобные разработки носят скорее теоретический и экспериментальный характер.

Статическое и вихревое поле

изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
изменением положения самого проводника.

При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.

Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.

Параметр	Электростатическое	Вихревое
форма силовых линий	разомкнутые	замкнутые
чем создается	неподвижным зарядом	переменным магнитным потоком
источник напряженности	заряд	отсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуре	нулевая	создает ЭДС индукции

Характеристики электрического поля

Электрическое поле описывается векторной величиной – напряженностью. Стрелка, направление которой совпадает с силой, действующей в точке на единичный положительный заряд, длина пропорциональна модулю силы. Физики находят удобным пользоваться потенциалом. Величина скалярная, проще представить на примере температуры: в каждой точке пространства некоторое значение. Под электрическим потенциалом понимают работу, совершаемую для перемещения единичного заряда из точки нулевого потенциала в данную точку.

Электрический потенциал

Поле, описываемое указанным выше способом, называется безвихревым. Иногда именуют потенциальным. Функция потенциала электрического поля непрерывная, изменяется плавно по протяженности пространства. В результате выделим точки равного потенциала, складывающие поверхности. Для единичного заряда сфера: дальше объект, слабее поле (закон Кулона). Поверхности называют эквипотенциальными.

Для понимания уравнений Максвелла заимейте представление о нескольких характеристиках векторного поля:

Градиентом электрического потенциала называется вектор, направление совпадает с наискорейшим ростом параметра поля. Значение тем больше, чем быстрее изменяется величина. Направлен градиент от меньшего значения потенциала к большему:

Градиент перпендикулярен эквипотенциальной поверхности.
Градиент тем больше, чем ближе расположение эквипотенциальных поверхностей, отличающихся друг от друга на заданную величину потенциала электрического поля.
Градиент потенциала, взятый с обратным знаком, является напряженностью электрического поля.

Электрический потенциал. Градиент “взбирается в гору”

Дивергенция является скалярной величиной, вычисляемой для вектора напряженности электрического поля. Является аналогом градиента (для векторов), показывает скорость изменения величины. Необходимость во введении дополнительной характеристики: векторное поле лишено градиента. Следовательно, для описания требуется некий аналог – дивергенция. Параметр в математической записи схож с градиентом, обозначается греческой буквой набла, применяется для векторных величин.
Ротор векторного поля именуется вихрем. Физически величина равна нулю при равномерном изменении параметра. Если ротор отличен от нуля, возникают замкнутые изгибы линий. У потенциальных полей точечных зарядов по определению вихрь отсутствует. Не обязательно линии напряжённости в этом случае прямолинейны. Просто изменяются плавно, не образуя вихрей. Поле с ненулевым ротором часто называют соленоидальным. Часто применяется синоним – вихревое.
Полный поток вектора представлен интегралом по поверхности произведения напряженности электрического поля на элементарную площадь. Предел величины при стремлении емкости тела к нулю представляет собой дивергенцию поля. Понятие предела изучается старшими классами средней школы, ученик может составить некоторое представление на предмет обсуждения.

Уравнения Максвелла описывают изменяющееся во времени электрическое поле и показывают, что в таких случаях возникает волна. Принято считать, одна из формул указывает отсутствие в природе обособленных магнитных зарядов (полюсов). Иногда в литературе встретим особый оператор – лапласиан. Обозначается как квадрат набла, вычисляется для векторных величин, представляет дивергенцией градиента поля.

Подобные аксиомы легко положим в основу описания процессов, происходящих в реальных существующих устройствах. Антигравитационный, вечный двигатель были бы неплохим подспорьем экономике. Если реализовать на практике теорию Эйнштейна никому не удалось, наработки Николы Тесла исследуются энтузиастами. Отсутствуют ротор, дивергенция.

Электризация тел

Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Способы электризации:

трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
при ударе;
под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Потенциал

Это еще одна характеристика электрического поля. Потенциал является накопленной энергией, которую явление может использовать для перемещения зарядов. Когда тот начинает двигаться, на это тратится вот этот самый ресурс, и в конечном итоге он становится равным нулю. Накапливается он обратным образом. В качестве примера можно взять все тот же заряд, но расположенный вне электрического поля. Как только некая сила перемещает его внутрь и двигает там, появляется потенциал.

Проще всего это представить на примере обычной пружины. В своем спокойном положении она не имеет никакого потенциала и просто представляет собой изогнутый кусок металла. Но как только мы начнем сдавливать ее, начнет возникать потенциал. Если отпустить пружину, она моментально распрямится и при этом подвинет все предметы, которые сможет, расположенные на ее пути. Если вернуться к рассматриваемым электрическим полям, то в их случае потенциал будет строго соответствовать приложенным усилиям на перемещение заряда. В современной науке этот показатель измеряется вольтами.

Что такое электрическое поле

Как и во многих других случаях, начать описание данного явления нужно именно с его определения. С точки зрения современной науки, оно представляет собой специальный вариант материи, созданной при помощи заряженных тел. Обнаружить электрическое поле и его характеристики можно благодаря взаимодействию друг с другом зарядов. Они и есть основные составные элементы данного явления. Обычным зрением обнаружить его невозможно, но у человека много других органов чувств. И вот с их помощью определить наличие такого поля вполне реально. Самый простой пример – поднести руку к экрану телевизора. Он, как и любые другие электронные приборы, создает вокруг себя именно такое поле, на что реагируют волоски на руке. В результате человек получает возможность весьма условно, но все же определять наличие или отсутствие такого явления.

Электрическое поле

Закон Кулона, изученный на прошлом уроке, был установлен экспериментально и справедлив для покоящихся заряженных тел. Каким же образом происходит взаимодействие заряженных тел на расстоянии? До некоторых пор при изучении электрических взаимодействий бок о бок развивались две принципиально разные теории: теория близкодействия и теория дальнодействия (действия на расстоянии).

Теория близкодействия заключается в том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством промежуточного звена (например, цепь в задаче о поднятии ведра из колодца является промежуточным звеном, посредством которого мы воздействуем на ведро, то есть поднимаем его).

Теория дальнодействия гласит, что заряженные тела взаимодействуют через пустоту. Шарль Кулон придерживался именно этой теории и говорил, что заряженные тела «чувствуют» друг друга. В начале XIX века конец спорам положил Майкл Фарадей (рис. 1). В работах, связанных с электрическим полем, он установил, что между заряженными телами существует некий объект, который и осуществляет действие заряженных тел друг на друга. Работы Майкла Фарадея были подтверждены Джеймсом Максвеллом (рис. 2). Он показал, что действие одного заряженного тела на другое распространяется за конечное время, таким образом, между заряженными телами должно существовать промежуточное звено, через которое осуществляется взаимодействие.

Рис. 1. Майкл Фарадей (Источник)

Рис. 2. Джеймс Клерк Максвелл (Источник)

Определение: Электрическое поле – это особая форма материи, которая создается покоящимися зарядами и определяется действием на другие заряды.

Природа и характеристики электрического поля

16. Природа и определение электрического поля

Работа в физическом смысле совершается над телом при приложении к нему силы, заставляя его двигаться против сопротивления в направлении действия силы. Когда мальчик тянет санки, его рука касается веревки и веревка привязана к саням; когда плотник размахивает молотком, его рука должна держаться за ручку в тесном контакте, и молоток не работает, пока его головка не соприкоснется с гвоздем.

Есть три различных феномена, в которых правило контакта проявляется нарушаются: гравитационное притяжение, магнитное притяжение и отталкивание, и электростатическое притяжение и отталкивание. Все три следуют закону обратного квадраты, то есть сила обратно пропорциональна квадрату расстояние между центрами реагирующих тел. Но во всех трех реакциях контакт между телом, на которое действует сила, и телом, на которое действует сила акты не нужны.

Исследования гравитации, магнетизма и электростатики породили теории поля для каждого из этих явлений. В случае электростатических сил состояние напряжения, по-видимому, существует в среде, окружающей электрический заряд так, что сила действует на положительный или отрицательный заряд, помещенный в этот средний. Это состояние напряжения легко обнаружить, когда заряды достаточно большой; когда он достаточно большой, сам носитель может разорваться, вызывая дуговой разряд, который обычно сопровождается характерным электрическим искра и тепло. Способность заряженных объектов влиять друг на друга в расстояние приписывается напряжению в среде, а область, в которой это напряжение появляется известно как электрическое или электростатическое поле.

Рис. 9. Считается, что электростатическое поле состоит из силовых линий которые переходят от положительно заряженного тела к отрицательно заряженному.

Электростатическое напряжение или искажение среды можно изобразить линиями силы. Направление такой силовой линии выбирается произвольно. путь, по которому двигался бы единичный положительный заряд, если бы он был свободен. Достаточно полную «картину» электрического поля впервые нарисовал Фарадей, который приписывал силовым линиям следующие характеристики:

1. Электрическое поле можно разделить на силовые линии.

2. Каждая линия заканчивается положительным зарядом на одном конце и отрицательным зарядом с другой.

3. Линии по всему полю совпадают с направлением электрического стресс.

4. Линии ведут себя так, как будто они сделаны из растянутой резинки, всегда стремится сжать и сблизить отрицательный и положительный заряды.

Рис. 10. Полевые условия вокруг небольшого заряженного шара.

5. Силовая линия между двумя проводящими поверхностями всегда должна пересекаться с проводящими поверхностями. поверхность перпендикулярно. Это должно быть так по самой природе предполагаемого статические условия. Если силовая линия входит или выходит из проводящей поверхности под любым другим углом, кроме нормального, она будет иметь тангенциальную составляющую в поверхность, вызывающая движение зарядов внутри проводника. Этот представляет собой непрерывный электрический ток и, поскольку токи не текут по поверхности проводника в электрическом поле в статической системе, место соединения силовой линии и поверхности должно быть под прямым углом. (Видеть Рис. 9.) 17. Уравнение напряженности поля Напряженность электрического поля определяется как сила, действующая на единичный заряд, и обозначается буквой E. Таким образом, по определению:

F E= q (14)

, в котором (в системе cgs) F в динах, q в esu и E в динах за единицу заряда.

Однако одного уравнения 14 недостаточно для решения многих задач. Кроме того, необходимо уметь находить количество силовых линий связанные с точечными платежами. Определить количество силовых линий, оставить или ввести каждую единицу заряда, мы сначала рассматриваем полевые условия в окрестность небольшой заряженной сферы (рис. 10). Поверхность сферы содержит q положительных зарядов. На расстоянии r от центра сферы а далеко за поверхностью лежит единичный заряд (один есу). Плата за единицу находится близко к положительным зарядам А и В, на большем расстоянии от зарядов Н, C, G и D и еще дальше от F и E. Более того, от предыдущих рассуждений (раздел 4), мы знаем, что заряды распределены равномерно по поверхности шара.

Затем можно задать вопрос: «Каков средний эффект этих распределены заряды на единичном заряде в r см от центра сферы?» усреднение расстояний равномерно распределенных зарядов, ориентировочное можно сделать вывод, что чистый эффект поверхностных зарядов так же, как если бы все они были сосредоточены в центре сферы. Этот вывод может быть дополнительно оправдан, если вспомнить, что силовые линии должны пересекать заряженную поверхность перпендикулярно так, чтобы продолжение каждая линия должна проходить через центр сферы. (любой радиус сферы пересекает поверхность сферы под прямым углом к ней.) Таким образом, поскольку что касается влияния поверхностных зарядов на единичный внешний заряд, на этот заряд действует сила, идентичная той, которая была бы q зарядов в центре сферы.

Закон Кулона, приведенный в уравнении 1, записывается как F = qq’/Kr2.

Многие вторичные уравнения, полученные из закона Кулона, содержат множитель 4pi. Эти уравнения применяются чаще, чем основное выражение, и из них удобно исключить 4pi.

Это достигается определением новой константы eta_o следующим образом:

… что дает

(16)

, откуда закон Кулона становится

(17)

, где q и q’ в кулонах, r в метрах и F в ньютонах. 95 дин, F = 9170 дин

Теперь возвращаемся к заряженному сферы рис. 10 и ее электрического поля, уже упоминалось, что величина поля равна силе на единицу заряда (E = F/q). Сила однако является векторной величиной, так что направление и величина должны быть присвоено полю. Направление электрического поля в конкретном точка в …

Рис. 11. Электрическое поле точечного заряда, q, действующее на пробу заряд, ц’.

… поле условно принимается за направление силы, действующей на положительный пробный заряд, размещенный в этой точке. Таким образом, сила отрицательного заряд, такой как электрон, считается противоположным направлению поля.

Природа среды, через которую действует электрическое поле, определяет значение константы K в законе Кулона (K = 4 pi Eo), поэтому K известен как диэлектрическая проницаемость среды. Для определения напряженности электрического поля в точке P, отстоящей от точечного заряда q на расстояние r, рассмотрим испытание заряд, имеющий величину заряда, равную q’, расположенную в точке P, как показано на рис. 11.9.4 ньютона на кулон

Поскольку точечный заряд положительный, поле направлено от него или вправо.

Теперь мы готовы обсудить метод, используемый для представления электрического поля по силовым линиям. Для описания поля может быть выбрано любое количество строк. заданной интенсивности, но если бы это было сделано, то результирующая картина была бы полностью качественная по величине поля. Для того, чтобы линии сила представляет как величину, так и направление, они отстоят друг от друга таким образом, чтобы число линий, проходящих через единицу площади поверхность под прямым углом к полю всегда равна произведению e_o и Е. То есть на единицу площади поверхности 92, а E — напряженность поля. Применение этого определения к любой области A мы имеем: Количество линий = e_0 EA (21)

Точечный заряд создает силовые линии, имеющие внешнее радиальное направление. Если такой заряд поместить в геометрический центр сферы любого радиуса, каждая силовая линия будет проходить через сферическую поверхность перпендикулярно, тем самым выполняя условия, изложенные выше. Пусть радиус сферы быть р; тогда напряженность поля в каждой точке сферической поверхности, обусловленная к точечному заряду q: 92

Количество строк = q (22)

Из этого анализа можно сделать вывод, что количество линий которые проходят через сферу, концентрическую с точечным зарядом, в точности равна величине точечного заряда. Так как фактор радиуса сокращается, очевидно, что через каждую сферу проходит одинаковое число силовых линий с зарядом q в центре, независимо от радиуса.

Силовые линии непрерывны, каждая из них оканчивается на одном конце положительной зарядом, а у другого отрицательным зарядом.

Эта характеристика непрерывности приводит к важному обобщению, первоначально установлен Гауссом и известен как закон Гаусса.

Чистое количество силовых линий, которые покидают замкнутую поверхность, содержащую электрический заряд равен суммарному положительному заряду внутри поверхности. Если нет чистого заряда внутри поверхности, чистое количество пересекающихся линий поверхность равна нулю.

Рис. 13. Иллюстрация к применению закона Гаусса.

Значение слова «нетто» применительно к начислениям означает разницу между числом положительных и числом отрицательных зарядов (или их алгебраическая сумма). Говоря о силовых линиях, чистое число пересечений линий ‘Поверхность равна алгебраической сумме прямых, проходящих наружу через поверхность и количество линий, проходящих внутрь через ту же поверхность.

Применение закона Гаусса показано на рис. 13. Корреляция между количество положительных и отрицательных зарядов, количество силовых линий и Закон Гаусса можно получить из этого рисунка следующим образом.

(1) Начиная с заряженного тела I, два положительных заряда (2 кулона)

дают начало двум движущимся наружу силовым линиям, которые заканчиваются на двух отрицательных заряды на теле 2. Таким образом, две прямые входят или пересекают поверхность А с этой стороны.

(2) Две линии пересекают другую сторону границы поверхности А, идущие от два из шести положительных зарядов на теле 8 снова уходят внутрь.

Это дает в общей сложности 4 линии, входящие в поверхность А, которые, согласно Гауссу Закон равен четырем отрицательным зарядам внутри поверхности А, расположенным на тело 2. Это дает нам важное следствие:

Чистое количество силовых линий попадающие на замкнутую поверхность, содержащую электрический заряд, равна суммарный отрицательный заряд внутри поверхности.

(3) Тело 8 имеет 6 положительных зарядов. Поверхность B пересекается в 12 точках.

Из них 9линии пересекают поверхность, идущие наружу, а 8 пересекаются, идущие наружу. внутрь, делая сеть из 6 линий, идущих наружу. Опять же, это соответствует количество положительных зарядов на поверхности B в соответствии с законом Гаусса.

(4) Поверхность C вообще не имеет внутри себя заряда, поэтому пересечения сети должны итого до нуля. Как видно, три линии из тела 5 входят и выходят на поверхность оставляя чистую ноль. Поскольку поверхность C не имеет зарядов внутри, никакие линии не могут заканчиваться внутри него.

(5) Поскольку все линии должны заканчиваться положительным зарядом на одном конце и отрицательного заряда на другом должно быть равное количество положительных и отрицательные заряды, если представление должно быть правильным.

На рисунке 13 имеется по 11 зарядов каждого знака, так что количество и направление линий соответствуют теоретическим требованиям.

18. Примеры использования закона Гаусса

Закон Гаусса может быть применен ко многим различным поверхностям с целью вычисления напряженность поля, возникающая в результате различных распределений заряда. Это может также использоваться для проверки определенных основных предположений, которые считаются самоочевидными, такие как распределение заряда и поле является проводником.

Поле, окружающее заряженную сферу. Сфера радиуса r1 показан в поперечном сечении на рисунке 14. Вокруг этой проводящей сферы представляет собой вторую сферу из непроводящего материала радиусом r2. 2) 92)

Решение для E: E

Рис. 14. Исследование напряженности поля вокруг заряженного проводящего шара.

Сразу же заметим, что это выражение идентично предыдущему. получено для напряженности поля на расстоянии r от точечного заряда (Уравнение 19). Это означает, что напряженность поля вокруг заряженного шара такой же, как у точечного заряда той же полной величины, и что заряд на сфере можно считать сосредоточенным в ее геометрической центр. Во-вторых, чистое поле внутри сферы равно нулю.

Поле внутри проводящей поверхности. Мы показали в разделе 4, что заряды помещенные на проводящую поверхность, стремятся отойти как можно дальше друг от друга из-за взаимное отталкивание. Теперь, используя закон Гаусса, мы можем более строго проверить эту идею.

Электроны в проводнике могут свободно двигаться. Если есть электрическое поле в проводнике будет движение свободных электронов до тех пор, пока поле существует; и наоборот, электронное движение будет равно нулю, если нет электрическое поле. Как следствие, мы можем сделать вывод, что мы можем предположить, что поле в проводнике равно нулю, если электроны находятся в состоянии покоя.

Рис. 15. Закон Гаусса в применении к проводнику.

Рис. 16. Исследование поля между двумя проводящими участками.

Теперь рассмотрим трехмерное проводящее твердое тело (показано в поперечном сечении). на рис. 15). На проводник помещен заряд q кулонов. Из Закон Гаусса, мы можем сразу заявить, что чистое число силовых линий, пересекающих любая поверхность, расположенная на бесконечно малом расстоянии внутри внешней границы проводника, такой как поверхность, показанная пунктирной линией на рис. 15, должен быть равен суммарному положительному заряду на поверхности. Эти обвинения статичны. Поскольку движения зарядов нет, поле внутри проводника должно быть равно нулю, а количество силовых линий, пересекающих гипотетическую поверхность также должен быть равен нулю. Однако в соответствии с законом Гаусса чистый заряд в проводник должен быть равен числу силовых линий, пересекающих поверхность во внешнем направлении. Таким образом, суммарный заряд внутри проводника также должен быть нулем. Поскольку первоначально на проводник был помещен заряд в q кулонов, все заряды должны располагаться между гипотетической поверхностью и внешней поверхности проводника. Первоначально предположив, что гипотетическая поверхность находилась на бесконечно малом расстоянии внутри проводника, мы должны Сделать вывод, что все заряды находятся снаружи проводника.

Поле между двумя параллельными проводящими поверхностями. Если два параллельных проводника поверхности (рис. 16) заряжены одинаково, но с противоположным знаком, электрическое поле между ними состоит в основном из прямых силовых линий равномерно распределены и параллельны друг другу. Чтобы использовать закон Гаусса для определения величины электрического поля между пластинами представим замкнутая поверхность прямоугольного сечения, расположенная между пластинами как показано на фиг. 16В. Сторона АВ этой поверхности лежит внутри проводника на слева, тогда как сторона CD находится вне проводника и внутри электрического поле.

Поскольку в проводнике слева нет электрического поля (см. предыдущую пример), через сторону АВ замкнутого пространства не проходят силовые линии. поверхность. Следовательно, чистое число силовых линий, проходящих через замкнутую поверхностными являются те, которые выходят через боковой CD. Чтобы определить количество строк участвующих в этом переходе, мы снова будем использовать уравнение 21.

Количество строк = e_o EA

… в котором E — напряженность электрического поля между пластинами и A – площадь стороны CD замкнутой поверхности.

Суммарный заряд внутри замкнутой поверхности равен площади А стороны AB, заключающая в себе заряды на проводящей пластине, умноженные на заряд на единицу площади самой пластины. Если y представляет плату за единицу площади, тогда:

q = yA

Применяя закон Гаусса, мы имеем:

e_o EA = yA

Отсюда или (23)

(24)

(25)

Следовательно, напряженность поля в ньютонах на кулон между двумя параллельными, противоположными заряженных пластин равно количеству кулонов на квадратный метр заряда на любой пластине разделить на константу: 95 ньютонов на кулон

Рис. 17. Заряженное закрытое ведро.

19. Распределение заряда

экспериментов, проведенных по аналогии с фарадеевским исследованием «ледяного ведра». выявить ряд важных фактов, касающихся того, каким образом электрические заряды распределяются по проводникам различной формы.

Распределение электрического заряда можно исследовать с помощью металлического диск, установленный на изолирующей ручке и называемый контрольной плоскостью. Если диск помещают на поверхность заряженного и изолированного сосуда, показанного на рис. 17, а затем удаляется, он уносит с собой часть заряда, который может затем проверить с помощью электроскопа. Эксперимент доказывает, что наибольшее заряд получается с внешней поверхности ведра у его верхнего края и на внешнем углу дна. Меньше находится в середине цилиндрического сторон, а в промежутке вообще никого; если ведро имеет металлическую крышку. Отсутствие заряда на внутренней поверхности замкнутого проводника обсуждалось в разделе 4. Большая концентрация зарядов на углах ведра приводит к вывод о том, что наибольшая плотность заряда находится в точках наиболее острых кривизна.

Плотность заряда обратно пропорциональна радиусу кривизны.

Рис. 18. Процесс точечного сброса. (А) Отрицательный ион ускоряется сильным электрическим полем вблизи точки из-за высокого заряда точки плотность. (B) Электроны, выбитые из молекул нейтрального газа из-за столкновений с ускоренными ионами, оставляя положительные ионы (С), которые движутся к точка.

Когда плотность заряда превышает определенные пределы, воздух в районе заряженной поверхности становится слегка проводящей за счет процесса столкновения, включающего заряженные молекулы газа с незаряженными. Этот процесс называется «ионизацией». сильное электростатическое поле вокруг острой точки уже ускоряет любые ионы присутствующие из-за воздействия космических лучей и т. д. Эти ионы сталкиваются с нейтральными молекулы, часто вытесняя дополнительные электроны. Это оставляет молекулы газа положительно заряжены, и они движутся либо к точке, либо от нее, в зависимости от при зарядке на месте. В любом случае заряженных атомов достаточно. противоположного знака притягиваются к высокой плотности заряда, где они выбирают накапливают избыток заряда и тут же отталкиваются. Найден, следовательно, что заряды «утекают» из острых концов гораздо быстрее, чем они делают из поверхностей большего радиуса или кривизны. Процесс показан на рис. 18.

Точечный разряд объясняет эффективность некоторых типов молниеотводов, которые позволяют жилому или иному зданию поддерживать себя в более или менее нейтральное электрическое состояние за счет разряда через острые точки. Это явление также объясняет, почему следует избегать точек в источниках питания высокого напряжения. такие, как те, которые используются в телевизионных приемниках. Если все соединения не округлены, энергия теряется из-за воздействия короны, другого названия электрического разряда через ионизированный воздух.

20. Метод Милликена для измерения заряда электрона

В 1913 году Роберт Милликен сообщил о серии кропотливых экспериментов, которые установил, что электрон обладает уникальным неделимым количеством электричества. Измерения Милликена также установили значение этой величины с высокой точность. Его метод, известный как эксперимент «капля масла», был проведен следующим образом: В камеру вдувается тонкая струя масла (рис. 19). Капли оседают на дно камеры с различной скоростью, в основном в зависимости по их размеру. Поверхностное натяжение капель заставляет их сферическую форму и падают через вязкую среду (воздух в камере) со скоростью, определяемой уравнением, называемым законом Стокса:

v= с 6 шт. RZ (26)

… где v — конечная скорость падения, w — вес нетто частицы после учета плавучести r — радиус падающей сферы, а Z — константа, зависящая от вязкости среды (коэффициент вязкости).

Рано или поздно одна из капель падает через маленькое отверстие на дне камеры. Как только вы это сделаете, отверстие закроется, и единственная капля оказывается в области между двумя точно расположенными параллельными пластинами поперек к которому подключен потенциал в несколько тысяч вольт. Капля очень освещается светом угольной дуговой лампы, от которой исходят тепловые лучи. удаляются фильтром, чтобы конвекционные потоки не влияли на эксперимент. Наблюдательный микроскоп фокусируется на пространстве между пластинами и движение капли измеряется относительно двух пар перекрестий нитей. Время, необходимое для его перехода от одного перекрестия к другому точно измеряется с помощью секундомера, следовательно, скорость капли можно легко вычислить. Эта скорость является функцией только диаметра и веса капли и вязкости воздуха по закону Стокса (Уравнение 26). Проходя через камеру, каждая капля принимает малый электрический заряд за счет контактного и индукционного эффектов. Предположим, что наблюдаемая капля несет отрицательный заряд. По мере приближения к нижнему пластины, переключатель замыкается, создавая электрическое поле в пространстве между плитами. Так как нижняя пластина отрицательна, капля начнет двигаться вверх по полю и снова проходить перекрестие микроскопа, на этот раз с другой скоростью.

Рис. 19. Аппаратура для эксперимента Милликена с полностью каплями.

В этот момент рентгеновская трубка на противоположном конце области пластины на мгновение вспыхнул, в результате чего воздух в непосредственной близости от капли стал ионизированным. Затем капля может захватывать или терять электроны и, таким образом, изменять свой суммарный заряд. что, в свою очередь, вызывает изменение его скорости и, возможно, направления движения. Изменение движения может быть результатом изменения заряда, составляющего к одному, двум или более электронам, потерянным или приобретенным, но в любом случае приобретение или потеря должна быть равна целому числу электронов. 9-19 кулонов.

Таким образом, значение и единственность заряда электрона были установлены.

21. Уравнения капель масла

Только что описанная экспериментальная процедура может быть переведены в соответствующие уравнения, которые обеспечивают фактическое значение заряд электрона по экспериментальным данным.

Пусть v0 обозначает установившуюся скорость капли масла при поле отсутствует, а v скорость восхождения той же капли под влияние поля. Тогда закон Стокса может быть записан для этих двух условий. как:

(27)

(28)

Как и прежде, Z — вязкость воздуха, E — напряженность электрического поля в области движения капли, w – вес капли, r – ее радиус, q — абсолютный заряд капли. Числитель уравнения 28 — результирующая сила, действующая на каплю. (Положительно, когда это приводит к в восходящем движении против действия силы тяжести.) Для простоты эффект плавучестью можно пренебречь без внесения серьезной ошибки. Если уравнения 27 и 28 складываются алгебраически, w-фактор выпадает, и в результате Уравнение можно решить для заряда капли. Таким образом: Решение для q:

(29)

Все величины в правой части поддаются непосредственному измерению, за исключением значение r, радиус капли. Коэффициент вязкости Z может быть получен несколькими точными методами v0 и v определяются наблюдением с под микроскопом, и напряженность электрического поля E может быть легко получена от напряжения между заряженными пластинами и их разделения, как будет показано в следующем абзаце. Однако радиус r должен определяться косвенно. Капля имеет сферическую форму из-за поверхностного натяжения и масла, из которого она состоит. имеет измеримую плотность D. Таким образом, поскольку плотность определяется как масса на объем единицы, 93 Замена V в уравнении 30: w = 4/3 1rr3Dg

(31)

(32)

Это значение для w может быть заменено в виде закона Стокса для скорости v0 при отсутствии поля (уравнение 27),

Нахождение r2 и извлечение квадратного корня из обеих частей,

Подставляя это значение r в уравнение 29,

Это выражение можно переписать как:

(33)

(34)

(35)

(36)

[Из уравнения 6, w = мг. Суммарная масса капли равна произведению его массы на единицу объема и его объема. ]

Теперь все в правой части уравнения 36 можно определить экспериментально. Именно наблюдая разницу в различных q, рассчитанных таким образом, по той же капельке, по которой Милликен пришел к своим выводам относительно уникальность и ценность электронного заряда, т. -19кулон, который изменяется незначительно от значения Милликена.

22. Диэлектрики

Проводники и изоляторы были затронуты в разделе 3. В проводниках электроны не связаны прочно со своими атомными ядрами и способны проходить свободно от атома к атому. В изоляторах связь гораздо более плотная и существенная. напряжение необходимо, чтобы вызвать движение электрона. Потому что разница между проводников и изоляторов является единицей по величине, а не по способу поведения, термин изолятор является относительным и относится к свойствам среды относительно проводимости тока. Когда поведение изолирующей среды анализируется относительно его диэлектрических свойств, т.е. количества и плотности силовых линий электрического поля, сопротивления электрическому пробою и т. д., среды называется диэлектриком. Поведение данного вещества при использовании в качестве изолятора может сильно отличаться от его поведения при применении в качестве диэлектрика.

Например, воздух является одним из лучших известных изоляторов; в сухом состоянии его проводимость очень низкая даже при больших напряжениях. Тем не менее, как диэлектрик имеет относительно низкий порог пробоя, происходит перекрытие около 75 000 вольт на дюйм зазора. Резина по сравнению с ней выдерживает лучше чем 400 000 вольт на дюйм толщины диэлектрика, но не так хорошо изолятор как воздух, позволяя току утечки течь в условиях при какой воздух остановил бы их полностью.

Способность вещества выдерживать пробой называется его диэлектрической проницаемостью. прочность. Эта характеристика выражается в вольтах на единицу толщины, когда вещество помещается между плоскими электродами с закругленными краями. Таким образом электрическая прочность воздуха 3000 вольт на мм, резины 16000 вольт на мм, а у лакированного батиста около 32000 вольт на мм. Современный керамические и синтетические пластмассовые диэлектрики имеют еще более высокие показатели.

Изменение потенциала на единицу толщины, приложенного к диэлектрику, равно называется потенциальным градиентом. Например, 48 000 вольт подается через 30 мил диэлектрического материала создают градиент потенциала 1600 вольт. за мил. Потенциальный градиент всегда выражается через напряжения, которые значительно ниже потенциала пробоя, так как после разряда возможно обугливание или растрескивание изоляционного материала с последующим изменение всех его диэлектрических свойств в области пробоя.

23. Диэлектрическая проницаемость

При переформулировке закона Кулона (раздел 17) упоминалась константа K как диэлектрическая проницаемость среды. Давайте теперь определим этот термин. Когда к двум плоским электродам, разделенным промежутком, прикладывается постоянное напряжение, заряд На одном находится заряд +q, а на другом — заряд -q. Должна ли плита из стекла или полистирола теперь вставляются в зазор, не изменяя приложенного напряжение, количество заряда возрастает до +q’ и -q’. Увеличение заряда должно быть, следовательно, полностью обусловлено наличием нового диэлектрического материала. Таким образом, диэлектрическая проницаемость любой изолирующей среды определяется как отношение заряда с воздушным (точнее вакуумным) диэлектриком к заряду с материалом диэлектрик без изменения приложенного потенциала или: диэлектрик постоянная q q’ (37)

Диэлектрические постоянные некоторых распространенных изоляторов приведены в таблице. ниже.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ

Воздух …. 1

Вода 81

Бакелит. от 0,4,5 до 5,5

Полистирол .. от 2,5 до 7,5

Стекло ….. .4,0 до 10,0

Фарфор от 5,7 до 6,8

Парафин .. 2.3

Слюда .. от 5,4 до 8,0

Резина .. от 2,0 до 2,5

24 ВИКТОРИНА

1. Объясните, почему силовые линии между двумя проводящими поверхностями должны пересекаться поверхности под прямым углом.

2. Почему удобно отбросить константу K, первоначально использовавшуюся в кулоновской теории? Закон в пользу новой константы e_0?

3. Дайте определение напряженности электрического поля словами и в виде уравнения.

Каковы его единицы в системе СГС?

4. Докажите, что через поверхность должно проходить одинаковое количество силовых линий. полого шара любого радиуса, если в его центре содержится заряд q.

5. Какое принято правило относительно направления создаваемого электрического поля? точечным зарядом q, если точечный заряд положителен? если он отрицательный? 92 площадь. Заряд на каждой пластине 0,5 Кл.

9. Объясните действие точек на заряженное тело. Дайте определение терминам ионизация и корона.

10. Опишите качественно метод, использованный Милликеном для получения заряда. на электрон.

11. Дайте определение диэлектрической прочности и диэлектрической проницаемости.

Учебник по физике: Линии электрического поля

В предыдущем разделе урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля. Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, прямо пропорциональна количеству заряда на заряде источника и обратно пропорциональна расстоянию от заряда источника. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный пробный заряд будет выталкиваться или тянуться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд. Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. Для любого заданного места стрелки указывают направление электрического поля, и их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на диаграмме ниже. Обратите внимание, что длина стрелок больше, когда они ближе к заряду источника, и меньше, когда дальше от заряда источника.

Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля. Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, полезнее нарисовать узор из нескольких линий, проходящих между бесконечностью и зарядом источника. Этот набор линий, иногда называемый линиями электрического поля, указывает направление, в котором положительный пробный заряд ускорится, если его поместить на линию. Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам. Чтобы передать информацию о направлении поля, каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Образец линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий снижает удобочитаемость шаблонов, количество линий обычно ограничивается. Наличие нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать характер электрического поля в пространстве, окружающем линии.

Правила рисования рисунков электрических полей

Существует множество соглашений и правил рисования таких рисунков линий электрического поля. Условные обозначения просто установлены для того, чтобы образцы линий электрического поля передавали наибольшее количество информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно общее соглашение состоит в том, чтобы окружить более заряженные объекты большим количеством линий. Объекты с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружая сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, плотностью линий. Это соглашение изображено на диаграмме ниже.

Мало того, что плотность линий, окружающих любой данный объект, раскрывает информацию о количестве заряда источника заряда, плотность линий в определенном месте в пространстве дает информацию о напряженности поля в этом месте. Рассмотрим объект, показанный справа. Два разных круглых сечения нарисованы на разных расстояниях от источника заряда. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда. Линии поля ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они расходятся дальше друг от друга в областях пространства, наиболее удаленных от заряда. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы сделать вывод, что электрическое поле наибольшее в местах, ближайших к поверхности заряда, и наименьшее в местах, удаленных от поверхности заряда. Плотность линий в структуре линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.

Второе правило рисования линий электрического поля включает в себя рисование силовых линий перпендикулярно поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает составляющей электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности исходного заряда, начал бы ускоряться. Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; такого никогда не наблюдается в статическое электричество . Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.

Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и заманчиво нарушить) при рисовании линий электрического поля для ситуаций, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже). Если бы линиям электрического поля когда-нибудь позволили пересечься друг с другом в заданном месте, вы могли бы представить результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и напряженности) электрического поля в области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в заданном месте, то должны быть два совершенно разных значения электрического поля со своим индивидуальным направлением в этом заданном месте. Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и связанное с ним направление. Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекаться друг с другом в любом заданном месте в пространстве.

Линии электрического поля для конфигураций из двух и более зарядов

В приведенных выше примерах мы видели линии электрического поля для пространства, окружающего отдельные точечные заряды. Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, может быть описано линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.

Предположим, что в данной области пространства есть два положительных заряда — заряд A (Q _A ) и заряд B (Q _B ). Каждый заряд создает свое электрическое поле. В любом заданном месте, окружающем заряды, напряженность электрического поля можно рассчитать, используя выражение kQ/d ² . Поскольку имеется два заряда, расчет kQ/d ² должен быть выполнен дважды в каждом месте: один раз с kQ _A /d _A ² и один раз с kQ _B /d _B ² (d _A — расстояние от этого места до центра заряда A, а d _B — расстояние от этого места до центра заряда B ). Результаты этих расчетов показаны на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E _A и E _B), нарисованными в различных местах. Сила поля представлена длиной стрелки, а направление поля представлено направлением стрелки.

Поскольку электрическое поле является вектором, к электрическому полю можно применить обычные операции, применимые к векторам. То есть их можно добавлять в прямом порядке для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте. Это показано на диаграмме ниже.

На приведенной выше диаграмме показано, что величина и направление электрического поля в каждом месте представляют собой просто векторную сумму векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше мест и процесс рисования E _A , E _B и E _net повторяется, тогда будут известны напряженность и направление электрического поля во множестве мест. (Этого не делается, так как это очень трудоемкая задача.) В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию наших двух зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного числа точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это изображено на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой заданной точке.

Построение линий электрического поля таким образом является утомительной и громоздкой задачей. Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большей затратой времени). Каким бы ни был метод, используемый для определения паттернов линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что паттерн является результатом паттернов отдельных зарядов в конфигурации. Образцы линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.

На каждой из вышеприведенных диаграмм отдельные заряды источника в конфигурации обладают одинаковым количеством заряда. Имея одинаковое количество заряда, каждый источник заряда имеет равную способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, картина носит симметричный характер, и количество линий, исходящих от исходного заряда или идущих к исходному заряду, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный исходный заряд, пропорциональна количеству заряда на этом исходном заряде. Если количество заряда на заряде источника неодинаково, картина приобретет асимметричный характер, так как один из зарядов источника будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства. Это показано на рисунках линий электрического поля ниже.

После построения линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие закономерности для других конфигураций. Существует ряд принципов, которые помогут в таких предсказаниях. Эти принципы описаны (или переописаны) в списке ниже.

Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта до бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
Линии электрического поля никогда не пересекаются.
Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим количеством заряда.
В местах, где линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.

Линии электрического поля как невидимая реальность

В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, происходящее между заряженными объектами. Впервые понятие электрического поля было введено 19 в.физик 19 века Майкл Фарадей. Фарадей считал, что узор из линий, характеризующих электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того, чтобы думать с точки зрения воздействия одного заряда на другой заряд, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на окружающее его пространство. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве. С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда. Заряженный объект посылает свое электрическое поле в пространство, идущее от «тянущего к шкиву». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную паутину влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Таким образом, когда вы практикуете построение линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии. Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая будет притягивать и отталкивать другие заряды, входящие в нее.

Мы хотели бы предложить …

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Поместите заряд в цель» и/или интерактивного взаимодействия с линиями электрического поля. Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактива обеспечивают привлекательную среду для изучения линий электрического поля.

Посетите: Зарядите цель | Линии электрического поля

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Несколько рисунков линий электрического поля показаны на диаграммах ниже. Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так со всеми неправильными диаграммами.

2. Эрин Агин нарисовала следующие линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.

3. Рассмотрите линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже. Из диаграммы видно, что объект А — это ____, а объект В — это ____.

а. +, +

б. -, —

в. +, —

д. -, +

эл. недостаточно информации

4. Рассмотрим линии электрического поля, нарисованные справа для конфигурации из двух зарядов. На схеме отмечены несколько мест. Расположите эти места в порядке напряженности электрического поля — от наименьшего к наибольшему.

5. Используйте свое понимание силовых линий электрического поля, чтобы определить заряды объектов в следующих конфигурациях.

6. Посмотрите на линии электрического поля ниже для различных конфигураций. Расположите предметы, в соответствии с которыми имеет наибольшую величину электрического заряда, начиная с наименьшего заряда.

Следующий раздел:

Свойства, схемы и правила рисования

Линии электрического поля можно рассматривать как визуальное представление электрического поля, существующего между зарядами или для самого заряда. Он был введен Майклом Фарадеем в году (1791-1867), который назвал их силовыми линиями. Поле — это, по сути, функция, которая задает конкретную величину повсюду в регионе. Когда мы говорим о силовых линиях электрического поля, это дает нам средства изобразительного представления электрического поля. Изучая линии электрического поля, можно оценить его величину, ориентацию и другие свойства. Как показано на рисунке ниже, силовые линии электрического поля существуют между положительными и отрицательными зарядами. Силовые линии направлены наружу для положительного заряда и внутрь для отрицательного заряда. Стрелка показывает направление силы. Величину также можно считать по количеству стрелок и плотности вокруг заряда. Другими словами, количество линий или стрелок пропорционально величине электрического поля в той или иной области. Как показано выше, вектор электрического поля E касается линии электрического поля в каждой точке. Линия имеет то же направление, что и направление электрического поля.

Количество силовых линий, выходящих из положительного заряда, равно количеству линий, оканчивающихся на отрицательном заряде. Если заряды равны и противоположны, одинаковое количество линий выходит и заканчивается с соответствующими зарядами. В случае наличия одного заряда силовые линии излучаются наружу в случае положительного заряда и стремятся к бесконечности.

Электрическое поле можно определить как «линии электрического поля — это воображаемые линии в области пространства-времени, вдоль которых двигался бы свободный заряд, если бы ему было позволено это делать». Это означает, что линии электрического поля или силовые линии являются визуальным представлением электрического поля в области, которая существует между двумя зарядами. Также как магнитное поле, существующее между двумя полюсами. Сила, существующая между двумя зарядами, прямо пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними в соответствии с законом силы Кулона.

линии электрического поля

Свойства линий электрического поля

Некоторые важные свойства линий электрического поля приведены ниже:

Линии электрического поля или силовые линии начинаются с положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде. То же, что и магнитные силовые линии, проходящие от северного полюса к южному

Силовые линии, существующие между двумя зарядами, никогда не образуют замкнутого пути. Это означает, что линии, исходящие из положительного заряда, заканчиваются на отрицательном заряде и не возвращаются к положительному заряду.

силовые линии

Как показано на рисунке выше, силовые линии исходят из положительного заряда, но не возвращаются и, следовательно, не образуют замкнутого контура. Можно заметить, что магнитные силовые линии образуют замкнутый путь, т.е. начиная с северного полюса, движутся к южному полюсу и возвращаются к северному полюсу.

Силовые линии, исходящие из положительного заряда, в случае отсутствия отрицательного заряда, т.е. в случае единичного заряда, никогда не заканчиваются в пространстве. Они имеют тенденцию существовать до бесконечности. Величина уменьшается по мере увеличения расстояния, но они никогда не заканчиваются в начале координат.

Силовые линии, берущие начало или заканчивающиеся зарядом, субъективны, тогда как плотность силовых линий объективна. Это означает, что количество линий, исходящих от заряда, может различаться для разных зарядов, но плотность этих линий вокруг заряда должна равномерно уменьшаться по мере их удаления.

Силовые линии, начинающиеся и заканчивающиеся зарядом, прямо пропорциональны величине заряда.

charge-magnitude

Как показано на рисунке выше, если число линий, исходящих из +Q, равно 4, то количество строк, исходящих из +2Q, будет равно 8.

Силовые линии, начинающиеся или заканчивающиеся на конкретном заряде, симметричны линии, соединяющей два заряда.

Соединительные заряды

Как показано на рисунке, силовые линии симметричны по отношению к соединительным зарядам. Это означает, что существует одинаковое количество линий выше и ниже платы за соединение линий.

Плотность линий, начинающихся или заканчивающихся для соответствующего заряда, дает величину заряда.

Силовые линии перпендикулярны поверхности заряда.

Направление задается касательной к силовым линиям. Направление касательной дает направление электрического поля.

Силовые линии, берущие начало или заканчивающиеся на конкретном заряде, никогда не пересекаются друг с другом. Если провести касательную в точке пересечения, то она даст два направления в одной и той же точке. Следовательно, силовые линии никогда не пересекаются друг с другом.

Если линии поля исходят от положительного заряда, то при наличии еще одного положительного заряда линия поля будет отталкиваться. Это означает, что силовые линии отталкиваются от положительного заряда и аналогичным образом притягиваются к отрицательному заряду.

Однородное электрическое поле представлено параллельными, прямыми и равноотстоящими силовыми линиями.

Если проводник находится в электростатическом состоянии, то в проводнике не существует электрического поля. Если бы эти линии существовали, то на электроны воздействовала бы сила, которая двигала бы электроны и, следовательно, производила бы ток. Тогда электростатическое условие недействительно. Поэтому говорят, что в электростатических условиях существующее электрическое поле равно нулю.

Они всегда перпендикулярны поверхности проводника.

Линии электрического поля Притяжение и отталкивание

Силовые линии электрического поля притягиваются к отрицательному заряду, и существует отталкивание положительного заряда. Если рядом находятся два положительных заряда, то силовая линия, исходящая от положительных зарядов, будет отталкиваться и изгибаться в бесконечность. Они никогда не пересекаются друг с другом.

Правила рисования

Чтобы нарисовать линии электрического поля, необходимо соблюдать следующие правила.

Эти линии исходят от положительного заряда и заканчиваются отрицательным зарядом.
Исходящие силовые линии всегда перпендикулярны поверхности заряда.
Две силовые линии никогда не пересекаются.
Линии поля притягиваются к отрицательным зарядам и отталкиваются от положительных зарядов.
Расположены симметрично относительно линии соединения зарядов.
Они пропорциональны величине заряда.

Часто задаваемые вопросы

1). Заканчиваются ли когда-нибудь силовые линии электрического поля?

Нет, если есть один положительный заряд, то силовые линии исходят от него и стремятся в бесконечность. Они никогда не заканчиваются. Однако если у нас есть положительные и отрицательные заряды, то силовые линии заканчиваются на отрицательном заряде.

2). Где силовые линии электрического поля наиболее сильны?

Линии поля наиболее сильны вблизи заряда и ослабевают по мере удаления от заряда.

3). Какими тремя свойствами обладают линии электрического поля?

Три свойства:

Линии поля берут начало от положительного заряда и заканчиваются отрицательным зарядом
Силовые линии перпендикулярны поверхности заряда
Линии поля никогда не пересекаются друг с другом.

4). Как определяется электрическое поле?

Электрическое поле — это особая функция, определяющая силовые линии повсюду в области

5). Что такое единица электрического поля в СИ?

Единицей напряженности электрического поля в СИ является ньютон на кулон (Н/Кл) или вольт на метр (В/м)

Таким образом, мы видели, как определяется электрическое поле, и мы видели свойства электрического поля . Это помогает понять характеристики напряженности электрического поля, на основе которых мы можем оценить напряженность электрического поля и плотность электрического поля. Эти характеристики и свойства электрического поля помогают нам понять закон Гаусса и правила Максвелла. Мы также ознакомились с правилами рисования электрического поля и некоторыми часто задаваемыми вопросами. Вот вопрос к вам, чем силовые линии электрического поля отличаются от силовых линий магнитного поля?

Проводники и электрические поля в статическом равновесии

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

Перечислить три свойства проводника в электростатическом равновесии.
Объясните влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике.
Объясните, почему внутри проводника может отсутствовать электрическое поле.
Опишите электрическое поле, окружающее Землю.
Объясните, что происходит с электрическим полем, приложенным к проводнику неправильной формы.
Опишите, как работает громоотвод.
Объясните, как металлический автомобиль может защитить находящихся внутри пассажиров от опасных электрических полей, возникающих в результате касания автомобиля оборванным проводом.

Проводники содержат бесплатных зарядов , которые легко перемещаются. Когда на проводник помещается избыточный заряд или проводник помещается в статическое электрическое поле, заряды в проводнике быстро реагируют на достижение устойчивого состояния, называемого электростатическим равновесием .

На рисунке 1 показано влияние электрического поля на свободные заряды в проводнике. Свободные заряды движутся до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника. В электростатическом равновесии не может быть компоненты поля, параллельной поверхности, поскольку, если бы она была, она вызывала бы дальнейшее движение заряда. Показан положительный свободный заряд, но свободные заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, а в металлах они фактически отрицательны. Движение положительного заряда эквивалентно движению отрицательного заряда в противоположном направлении.

Рис. 1. Когда к проводнику приложено электрическое поле E, свободные заряды внутри проводника перемещаются до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности. (а) Электрическое поле является векторной величиной, имеющей как параллельные, так и перпендикулярные компоненты. Параллельная составляющая (E∥) воздействует на свободный заряд q с силой (F∥), которая перемещает заряд до тех пор, пока F∥=0. (b) Результирующее поле перпендикулярно поверхности. Свободный заряд переносится на поверхность проводника, оставляя электростатические силы в равновесии.

Проводник, помещенный в электрическое поле , будет поляризованным . На рисунке 2 показан результат помещения нейтрального проводника в изначально однородное электрическое поле. Поле усиливается вблизи проводника, но полностью исчезает внутри него.

Рис. 2. На этом рисунке показан сферический проводник в статическом равновесии с первоначально однородным электрическим полем. Свободные заряды движутся внутри проводника, поляризуя его, пока линии электрического поля не станут перпендикулярны поверхности. Силовые линии заканчиваются на избыточном отрицательном заряде на одном участке поверхности и снова начинаются на избыточном положительном заряде на противоположной стороне. Внутри проводника не существует электрического поля, поскольку свободные заряды в проводнике будут продолжать двигаться в ответ на любое поле, пока оно не будет нейтрализовано.

Предупреждение о неправильном представлении: электрическое поле внутри проводника

Избыточные заряды, размещенные на сферическом проводнике, отталкиваются и перемещаются до тех пор, пока не распределятся равномерно, как показано на рис. 3. Избыточный заряд выталкивается на поверхность до тех пор, пока поле внутри проводника не станет равным нулю. Вне проводника поле точно такое же, как если бы проводник был заменен точечным зарядом в его центре, равным избыточному заряду.

Рис. 3. Взаимное отталкивание избыточных положительных зарядов на сферическом проводнике равномерно распределяет их по его поверхности. Результирующее электрическое поле перпендикулярно поверхности и равно нулю внутри. Вне проводника поле идентично точечному заряду в центре, равному избыточному заряду.

Свойства проводника в электростатическом равновесии

Электрическое поле внутри проводника равно нулю.
Сразу за пределами проводника силовые линии электрического поля перпендикулярны его поверхности и заканчиваются или начинаются на зарядах на поверхности.
Любой избыточный заряд полностью находится на поверхности или поверхностях проводника.

Свойства проводника согласуются с уже рассмотренными ситуациями и могут использоваться для анализа любого проводника в электростатическом равновесии. Это может привести к новым интересным выводам, как описано ниже.

Как создать очень однородное электрическое поле? Рассмотрим систему из двух металлических пластин с противоположными зарядами на них, как показано на рис. 4. Свойства проводников, находящихся в электростатическом равновесии, указывают на то, что электрическое поле между пластинами будет однородным по напряженности и направлению. За исключением краев, избыточные заряды распределяются равномерно, создавая силовые линии, которые расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (следовательно, одинаковы по силе) и перпендикулярны поверхностям (следовательно, однородны по направлению, поскольку пластины плоские). Краевые эффекты менее важны, когда пластины расположены близко друг к другу.

Рис. 4. Две металлические пластины с равными, но противоположными избыточными зарядами. Поле между ними однородно по силе и направлению, кроме краев. Одним из применений такого поля является создание равномерного ускорения зарядов между пластинами, например, в электронной пушке телевизионной трубки.

Электрическое поле Земли

Рис. 5. Электрическое поле Земли. (a) Поле хорошей погоды. Земля и ионосфера (слой заряженных частиц) являются проводниками. Они создают однородное электрическое поле около 150 Н/Кл. (кредит: DH Parks) (b) Штормовые поля. При наличии грозовых облаков локальные электрические поля могут быть больше. При очень высоких полях изолирующие свойства воздуха нарушаются, и может возникнуть молния. (кредит: Ян-Йост Верхуф)

Почти однородное электрическое поле напряженностью около 150 Н/Кл, направленное вниз, окружает Землю, величина которого немного увеличивается по мере приближения к поверхности. Что вызывает электрическое поле? Примерно в 100 км над поверхностью Земли находится слой заряженных частиц, называемый ионосферой . Ионосфера отвечает за ряд явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю. В хорошую погоду ионосфера положительна, а Земля в значительной степени отрицательна, поддерживая электрическое поле (рис. 5а).

В условиях шторма образуются облака, а локализованные электрические поля могут быть сильнее и иметь противоположное направление (рис. 5b). Точное распределение заряда зависит от местных условий, и возможны вариации рисунка 5b.

Если электрическое поле достаточно велико, изолирующие свойства окружающего материала нарушаются, и он становится проводящим. Для воздуха это происходит примерно при 3 × 10 ⁶ N/C. Воздух ионизирует ионы, а электроны рекомбинируют, и мы получаем разряд в виде искр молний и коронного разряда.

Электрические поля на неровных поверхностях

До сих пор мы рассматривали избыточные заряды на гладкой симметричной поверхности проводника. Что произойдет, если проводник имеет острые углы или заострен? Избыточные заряды на неоднородном проводнике концентрируются в наиболее острых точках. Кроме того, избыточный заряд может перемещаться по проводнику или от него в самых острых точках.

Чтобы понять, как и почему это происходит, рассмотрим заряженный проводник на рис. 6. Электростатическое отталкивание одинаковых зарядов наиболее эффективно раздвигает их на самой плоской поверхности, поэтому там они меньше всего концентрируются. Это связано с тем, что силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Составляющая, параллельная поверхности, наибольшая на самой плоской поверхности и, следовательно, более эффективна в перемещении заряда.

Такой же эффект оказывает на проводник внешнее электрическое поле, как показано на рисунке 6c. Поскольку силовые линии должны быть перпендикулярны поверхности, больше их сосредоточено на наиболее искривленных участках.

Рис. 6. Избыточный заряд на неоднородном проводнике больше всего концентрируется в месте наибольшей кривизны. а) Силы между одинаковыми парами зарядов на обоих концах проводника одинаковы, но компоненты сил, параллельных поверхности, различны. это F _∥, который раздвигает заряды, когда они достигают поверхности. (b) F _∥ наименьший на более остром конце, заряды оставлены ближе друг к другу, создавая показанное электрическое поле. (c) Незаряженный проводник в первоначально однородном электрическом поле поляризуется так, что наиболее концентрированный заряд находится на его самом остром конце.

Применение проводников

Рис. 7. Проводник с очень острым концом имеет большую концентрацию заряда в конце. Электрическое поле в этой точке очень сильное и может создавать силу, достаточную для переноса заряда на проводник или с него. Молниеотводы используются для предотвращения накопления больших избыточных зарядов на конструкциях и, таким образом, имеют остроконечную форму.

На очень сильно искривленной поверхности, такой как показанная на рисунке 7, заряды настолько сконцентрированы в точке, что результирующее электрическое поле может быть достаточно сильным, чтобы убрать их с поверхности. Это может быть полезно.

Молниеотводы работают лучше всего, когда они наиболее остроконечные. Большие заряды, образующиеся в грозовых облаках, вызывают противоположный заряд на здании, что может привести к удару молнии в здание. Индуцированный заряд постоянно отводится громоотводом, предотвращая более драматический удар молнии.

Конечно, иногда мы хотим предотвратить передачу заряда, а не облегчить ее. В этом случае проводник должен быть очень гладким и иметь как можно больший радиус кривизны. (См. рис. 8.) Гладкие поверхности используются, например, на высоковольтных линиях электропередачи, чтобы избежать утечки заряда в воздух.

Другим устройством, в котором используются некоторые из этих принципов, является клетка Фарадея . Это металлический щит, ограждающий объем. Все электрические заряды будут находиться на внешней поверхности этого экрана, и внутри не будет электрического поля. Клетка Фарадея используется для того, чтобы паразитные электрические поля в окружающей среде не мешали чувствительным измерениям, таким как электрические сигналы внутри нервной клетки.

Во время грозы, если вы управляете автомобилем, лучше оставаться внутри автомобиля, так как его металлический корпус действует как клетка Фарадея с нулевым электрическим полем внутри. Если в непосредственной близости от удара молнии, его воздействие ощущается снаружи автомобиля, а внутри не затрагивается, при условии, что вы полностью остаетесь внутри. Это актуально и в том случае, если действующий («горячий») электрический провод оборвался (в грозу или аварию) и упал на ваш автомобиль.

Рис. 8. (a) Молниеотвод направлен для облегчения передачи заряда. (Фото: Romaine, Wikimedia Commons) (b) Этот генератор Ван де Граафа имеет гладкую поверхность с большим радиусом кривизны, что предотвращает перенос заряда и позволяет генерировать большое напряжение. Взаимное отталкивание одноименных зарядов проявляется в волосах человека при прикосновении к металлическому шару. (кредит: Джон «ShakataGaNai» Дэвис/Wikimedia Commons).

Резюме раздела

Проводник позволяет свободно перемещаться в нем зарядам.
Электрические силы вокруг проводника заставят свободные заряды перемещаться внутри проводника, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
Любой избыточный заряд будет накапливаться на поверхности проводника.
Проводники с острыми углами или точками будут накапливать больше заряда в этих точках.
Громоотвод — это проводник с заостренными концами, который собирает избыточный заряд на здании, вызванный грозой, и позволяет ему рассеяться обратно в воздух.
Электрические бури возникают, когда электрическое поле поверхности Земли в определенных местах становится более сильно заряженным из-за изменения изолирующего эффекта воздуха.
Клетка Фарадея действует как щит вокруг объекта, предотвращая проникновение электрического заряда внутрь.

Концептуальные вопросы

Является ли объект на рисунке 9 проводником или изолятором? Обосновать ответ.
Рисунок 9.
Линии внешнего поля, входящие в объект с одного конца и выходящие с другого, показаны линиями.
Если бы силовые линии электрического поля на рисунке выше были перпендикулярны объекту, обязательно ли он был бы проводником? Объяснять.
Обсуждение электрического поля между двумя параллельными проводящими пластинами в этом модуле утверждает, что краевые эффекты менее важны, если пластины расположены близко друг к другу. Что значит близко? То есть имеет ли решающее значение фактическое расстояние между пластинами или отношение расстояния между пластинами к площади пластины?
Будет ли электрическое поле, созданное самим собой на конце заостренного проводника, такого как громоотвод, удалять положительный или отрицательный заряд с проводника? Будет ли снят тот же знаковый заряд с нейтрального заостренного проводника приложением такого же электрического поля, созданного извне? (Ответы на оба вопроса имеют значение для передачи заряда с использованием баллов.)
Почему игрок в гольф с металлической клюшкой на плече уязвим для молнии на открытом фервее? Будет ли ей безопаснее под деревом?
Может ли ремень ускорителя Ван де Граафа быть проводником? Объяснять.
Вы в относительной безопасности от молнии внутри автомобиля? Назовите две причины.
Обсудите плюсы и минусы заземления громоотвода по сравнению с простым креплением к зданию.
Используя симметрию расположения, покажите, что суммарная кулоновская сила, действующая на заряд [латекс]q[/латекс] в центре квадрата ниже (рис. 10), равна нулю, если заряды в четырех углах точно равны.
Рисунок 10. Четыре точечная плата Q _A , Q _B , Q _C , а Q _D Lie Lie на Corners of A Square of A Squarers Q Q Q Q Q Q и Q Q и Q и Q . центр.

(a) Используя симметрию расположения, покажите, что электрическое поле в центре квадрата на рисунке 10 равно нулю, если заряды в четырех углах точно равны. (b) Покажите, что это также верно для любой комбинации зарядов, в которой q _a = q _b и q _b = q _c

(a) Каково направление полной кулоновской силы на q на рисунке 10, если q отрицательно, q _a = q _c и оба отрицательны, = q _c и оба положительны? б) Каково направление электрического поля в центре квадрата в этой ситуации?

Рассматривая рисунок 10, предположим, что q _a = q _d и q _b = q _c . Сначала покажите, что q находится в статическом равновесии. (Вы можете пренебречь силой гравитации.) Затем обсудите, является ли равновесие устойчивым или неустойчивым, отметив, что это может зависеть от знаков зарядов и направления смещения q от центра квадрата.

Если q _a = 0 на рисунке 10, при каких условиях не будет чистой кулоновской силы на q ?

В регионах с низкой влажностью при открывании автомобильных дверей или прикосновении к металлическим дверным ручкам возникает особая «хватка». Это предполагает размещение на устройстве как можно большей части руки, а не только кончиков пальцев. Обсудите индуцированный заряд и объясните, почему это сделано.

Пункты взимания платы на дорогах и мостах обычно имеют кусок проволоки, воткнутый в тротуар перед ними, который будет касаться приближающегося автомобиля. Почему это делается?

Предположим, женщина несет избыточную плату. Чтобы поддерживать свой заряженный статус, может ли она стоять на земле в любой паре обуви? Как бы вы ее выписали? Каковы последствия, если она просто уйдет?

Задачи и упражнения

Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 11 с учетом того, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?
Рисунок 11

Нарисуйте линии электрического поля вблизи проводника на рисунке 12 с учетом того, что изначально поле было однородным и параллельным длинной оси объекта. Является ли результирующее поле малым вблизи длинной стороны объекта?
Рисунок 12.

Нарисуйте электрическое поле между двумя проводящими пластинами, показанными на рисунке 13, при условии, что верхняя пластина имеет положительный заряд, а нижняя пластина имеет такое же количество отрицательных зарядов. Обязательно укажите распределение заряда на пластинах.
Рисунок 13.

Нарисуйте линии электрического поля вблизи заряженного изолятора на рисунке 14 , отметив его неоднородное распределение заряда.
Рис. 14. Заряженный изолирующий стержень, который можно использовать для демонстрации в классе.

Какая сила действует на заряд, расположенный на расстоянии x = 8,00 см на рис. 15а, если q = 1,00 мкКл?
Рис. 15. (а) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 3,00, 8,00 и 11,0 см по оси x. (b) Точечные заряды, расположенные на расстоянии 1,00, 5,00, 8,00 и 14,0 см по оси x.

(a) Найдите полное электрическое поле при x = 1,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 5,00 нКл. (b) Найдите полное электрическое поле при x = 11,00 см на рисунке 15b. (в) Если позволить зарядам двигаться и в конечном итоге останавливаться за счет трения, какова будет окончательная конфигурация заряда? (То есть будет ли одинарная плата, двойная плата и т. д., и каковы будут ее значения?)

(a) Найдите электрическое поле при x = 5,00 см на рис. 15а, учитывая, что q = 1,00 мкКл. (b) В каком положении между 3,00 и 8,00 см общее электрическое поле такое же, как и для -2 q один? в) Может ли электрическое поле быть равным нулю где-то между 0,00 и 8,00 см? (d) При очень больших положительных или отрицательных значениях x электрическое поле приближается к нулю как в (a), так и (b). В каком случае он быстрее всего стремится к нулю и почему? (e) В каком положении справа от 11,0 см полное электрическое поле равно нулю, кроме как на бесконечности? (Подсказка: графический калькулятор может помочь в решении этой проблемы.)

(a) Найдите полную кулоновскую силу на заряде 2,00 нКл, расположенном на расстоянии x = 4,00 см на рисунке 15b, учитывая, что q = 1,00 мкКл. (b) Найдите положение x , в котором электрическое поле равно нулю на рисунке 15b.

Используя симметрию расположения, определите направление силы на q на рисунке ниже, учитывая, что q _a = q _b = +7,50 мкКл и q _c = q _д = -7,50 мкКл. б) Рассчитайте модуль силы, действующей на заряд q , учитывая, что сторона квадрата равна 10,0 см, а q = 2,00 мкКл.
Рисунок 16.

(a) Используя симметрию расположения, определите направление электрического поля в центре квадрата на рисунке, учитывая, что q _a = q _b = -1,00 мкКл и q _c = q _d = +1,00 мкКл. (b) Рассчитайте величину электрического поля в точке q, учитывая, что сторона квадрата равна 5,00 см.

Найдите электрическое поле на месте Q _A на рисунке 16, учитывая, что Q _B = Q _C = Q _D = +2.00 = Q _D = +2.0146 = Q _D = Q _D. 1,00 нКл, а сторона квадрата 20,0 см.

Найти полную кулоновскую силу на заряде q на рис. 16, учитывая, что q = 1,00 µ Кл, q _a = 2,00 90 4 q 3 0
Кл, 90 1460146 = -3,00 µ C, q _c = -4,00 µ C и q _d = +1,00 µ C на стороне а.

(a) Find the electric field at the location of q _a in Figure 17, given that q _b = +10.00 μ C and q _c = –5.00 μ C. (b) Какова сила, действующая на q _a , если q _a = +1,50 нКл?
Рис. 17. Точечные заряды, расположенные в углах равностороннего треугольника со стороной 25,0 см.

(a) Найдите электрическое поле в центре треугольной конфигурации зарядов на рис. 17, учитывая, что q _a = +2,50 нКл, q _b = −8,00 нКл и q _c = +1,50 нКл. (b) Существует ли какая-либо комбинация сборов, кроме q _a = q _b = q _c , что создаст электрическое поле нулевой напряженности в центре треугольной конфигурации?

Глоссарий

проводник: объект со свойствами, позволяющими зарядам свободно перемещаться внутри него

свободный заряд: электрический заряд (положительный или отрицательный), который может перемещаться отдельно от своей основной молекулы

электростатическое равновесие: электростатически сбалансированное состояние, в котором все свободные электрические заряды перестали двигаться примерно на

поляризованный: состояние, при котором положительные и отрицательные заряды внутри объекта собираются в разных местах явлений, включая электрическое поле, окружающее Землю

Клетка Фарадея: металлический экран, предотвращающий проникновение электрического заряда на его поверхность

Избранные решения задач и упражнений

6. (а) E _x _{= 1,00 см} = −∞; (б) 2,12 × 10 ⁵ Н/З; (в) один заряд + q

8. (а) 0,252 Н влево; (b) x = 6,07 см

10. (a) Электрическое поле в центре квадрата будет направлено вверх, так как q _a и q _b положительны, а q 0 c и q _d отрицательны и имеют одинаковую величину; (б) 2,04 × 10 9{\circ}\\[/latex] , ниже горизонтали; (b) №

Электрическое поле
Электрическое поле

Электрическое поле определяется как электрическая сила на единицу заряда. 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.

Щелкните любой из приведенных выше примеров для получения более подробной информации.

Закон силы Лоренца

Использование закона Гаусса для расчета электрического поля

Index
Концепции электрического поля

Электромагнитная сила

3 3

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица 913
Вернуться

Электрическое поле точечного заряда может получить из закона Кулона:

Электрическое поле направлено радиально наружу от точечного заряда во всех направлениях. Окружности представляют собой сферические эквипотенциальные поверхности.

Электрическое поле от любого количества точечные заряды могут быть получены из вектора сумма отдельных полей. Положительное число считается внешним полем; поле отрицательного заряда направлено к ней.

Это выражение для электрического поля также можно получить, применяя закон Гаусса.

Другая геометрия электрического поля Многоточечные заряды

Индекс
Концепции электрического поля

2 2 2

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Вернуться

В уравнениях, описывающих электрические и магнитные поля и их распространение, обычно используются три константы. 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 принимается равной
.

См. также относительную проницаемость

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

который на практике часто используется в виде
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.

Физические связи с диэлектрической и проницаемостью

Индекс
Концепции электрического поля

2 2 2

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Выражения для электрического и магнитного полей в свободном пространстве содержат диэлектрическую проницаемость ε ₀ и магнитной проницаемости μ ₀ свободного пространства. 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.

Электрическая проницаемость связана с энергией, запасенной в электрическом поле. Он участвует в выражении для емкости, потому что влияет на количество заряда, которое необходимо поместить на конденсатор, чтобы создать определенное результирующее электрическое поле. В присутствии поляризуемой среды для достижения заданного суммарного электрического поля требуется больший заряд, и влияние среды часто выражается в терминах относительной диэлектрической проницаемости.

Магнитная проницаемость связана с энергией, запасенной в магнитном поле. Он участвует в выражении для индуктивности, потому что в присутствии намагничиваемой среды большее количество энергии будет храниться в магнитном поле для данного тока через катушку. Влияние среды часто выражается в терминах относительной проницаемости.

Индекс
Концепции электрического поля

Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Неф

Вернуться назад

Что такое электрическое поле и каковы его свойства.
Основные характеристики электрического поля

Что такое электрическое поле и каковы его свойства. Основные характеристики электрического поля

Заряженные тела можно получить путем электризации.

Электризация тела — это механический процесс, в результате которого в теле возникает недостаток или избыток электронов.

Наэлектризованность может происходить несколькими способами:

КОНТАКТ

(поднести заряженное тело к металлической гильзе, оно сначала притянется, а потом оттолкнется).

УДАР

(резиновый шланг резко ударить по массивному предмету и поднести его к электроскопу).

ТРЕНИЕ

(протирание стеклянной палочки о шелк дает положительный заряд).

Свойства электрического поля:

Электрическое поле действует на введенный в это поле заряд Fel

Поле сильнее вблизи заряженных тел и слабее по мере их удаления

Электрическое поле можно обнаружить с помощью пробного заряда (по влиянию на пробу заряд)

Основные характеристики электрического поля

Характеристики электрического поля Формула Особенности

Электрический заряд- источник электрического поля 1) Закон сохранения электрического заряда: В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной. 2) Если два заряда соединить, а затем разделить, то результирующие заряды будут равны 3) Электростатическое (или кулоновское) отталкивание возникает между одноименно заряженными телами, а электростатическое притяжение между противоположно заряженными телами. Пример: Два маленьких одинаковых шарика имеют заряды 4 кли — 9 кл. Каков будет заряд каждого шара, если их привести в соприкосновение, а затем снова развести?

Электрическая сила Закон Кулона — сила взаимодействия 2 точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. при зарядке в вакууме или на воздухе , если заряд в среде с диэлектриком Пример: Модуль силы действия одного неподвижного точечно заряженного тела на другое равен F . Каков будет модуль этой силы, если заряд одного тела увеличить в 2 раза, а второго — в 3 раза? — относительная диэлектрическая проницаемость среды — число, показывающее, во сколько раз напряженность электростатического поля в однородном диэлектрике меньше напряженности в вакууме. к=910 9

Напряженность электрического поля — силовая характеристика электрического поля. Направление вектора натяжения совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Натяжение есть векторная величина, равная в каждой точке отношения силы, действующей на пробный заряд, размещенный в этой точке поля, к величине этого заряда: Напряженность электрического поля для точечного заряда Силовыми линиями электрического поля называются линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности. Плотность линий выбирается таким образом, чтобы число линий, пронизывающих единичную поверхность, перпендикулярную линиям участка, было равно модулю вектора интенсивности.

Принцип суперпозиции напряжений — если в какой-то точке пространства разные заряды создают электрические поля, то результирующая напряженность в этой точке будет равна векторной сумме напряженностей каждого поля. Пример 1.: Найти напряжение в средней точке, если q 1 = 8nCl, q 2 = -6nCl E = E 1 + E 2 Пример 2.: Найти напряжение в точке, удаленной от первого заряда на расстоянии 8см, а от второго на 6см, если q 1 = 8 нКл, q 2 = -6 нКл Пример 3.: Найти напряжение в точке, удаленной от первого заряда на расстоянии r 1, а от второй при r 2, если q 1 = 8 нКл, q 2 = -6 нКл Линии натяжения заряженных тел:

Потенциал — энергетическая характеристика поля. Отношение потенциальной энергии к заряду. Поверхности с одинаковым потенциалом называются эквипотенциальными. Разность потенциалов = Напряжение Принцип суперпозиции потенциалов поля: если поле создается несколькими зарядами, то потенциал в любой точке равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности. Потенциал точечного заряда Связь между потенциалом и напряжением Потенциал поля положительного заряда уменьшается по мере удаления от заряда, а потенциал поля отрицательного заряда увеличивается. В проводниках положительные заряды отходят от потенциальных отрицательных зарядов — наоборот Линии натяжения направлены в сторону убывания потенциала

Работа силы электростатического поля Пример: Какую работу совершит поле по переносу заряда q 1 из точки А в В

Работа по переносу заряда q 1 из точки с потенциалом до точки потенциала

Энергия электрического поля (заряженный проводник)

Часть 2

Электрическая емкость C является характеристикой электрических свойств проводника, определяющей возможность накопления зарядов на этом проводнике.

Электрическая емкость – это отношение заряда проводника к его потенциалу.

Конденсатор состоит из двух проводников, заряженных противоположными зарядами, равными по абсолютной величине. Проводники, образующие конденсатор, называются его пластинами. Простейший конденсатор представляет собой систему из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на небольшом расстоянии по сравнению с размерами пластин и разделенных диэлектрическим слоем. Такой конденсатор называется плоским. Электрическое поле плоского конденсатора в основном локализовано между обкладками

Электрическая емкость не зависит:

от формы проводника;

от его размеров:

от диэлектрической проницаемости среды;

от наличия заряженных тел вблизи

В системе СИ единица электрической емкости называется фарад (Ф):

При решении задач электростатики и при ответе на некоторые качественные вопросы полезно иметь в виду следующее:

1. Положительные электрические заряды, предоставленные сами себе, перемещаются в электрическом поле из точек с большим потенциалом в точки с меньшим потенциалом. Отрицательные заряды движутся в противоположном направлении.

2. Напряженность электрического поля внутри статически заряженного проводника равна нулю. Этот результат не зависит от того, есть ли внешнее электрическое поле или нет. Потенциал всех точек, лежащих на проводнике, в этом случае имеет одинаковое значение, т. е. поверхность проводника эквипотенциальна.

3. Потенциал земли и всех тел, соединенных проводником с землей, принимается равным нулю.

4. Работа сил электростатического поля в любой замкнутой цепи равна нулю.

5. Если два одиночных шарика соединить тонкой и длинной проволокой, то их общая емкость будет равна сумме емкостей отдельных шариков, так как потенциалы шариков будут одинаковыми, а общий заряд системы равна сумме зарядов шаров.

По той же причине одиночный шар можно рассматривать как два соединенных параллельно друг другу конденсатора с одинаковой емкостью.

6. Электрическое поле заряженного конденсатора можно рассматривать как результат наложения двух полей, создаваемых каждой обкладкой конденсатора. Если поля, создаваемые пластинами плоского заряженного конденсатора, можно считать однородными, то напряженность поля в конденсаторе будет в 2 раза больше, чем напряженность поля, создаваемая одной бесконечной заряженной плоскостью.

7. Если плоский конденсатор подключить к источнику питания, зарядить и затем отключить, то при изменении емкости С конденсатора за счет расширения (сближения) или смещения обкладок введение (удаление) диэлектрика , заряд на конденсаторе не меняется.

8. Если батарея конденсаторов подключена к источнику напряжения и имеет определенный заряд, то алгебраическая сумма зарядов любой группы пластин, изолированных от источника, всегда должна быть равна нулю, так как заряды в этой группе пластин разделены по индукции.

В природе есть много явлений, которые человек еще не до конца понял. К ним относятся электрические поля, характеристики которых мы уже достаточно хорошо умеем определять. В то же время не всегда есть возможность их использовать. Это направление больше теоретическое и, скорее всего, не даст пользы в краткосрочной перспективе изучения, а сейчас на такие разработки делается больший упор. Таким образом, возможности таких месторождений исследуют в основном энтузиасты, и ждать радикальных прорывов в ближайшее время точно не стоит.

Что такое электрическое поле

Как и во многих других случаях, описание этого явления необходимо начать с его определения. С точки зрения современной науки, это особый вариант материи, созданный заряженными телами. Можно обнаружить электрическое поле и его характеристики благодаря взаимодействию зарядов друг с другом. Они являются основными составляющими элементами этого явления. Обнаружить его обычным зрением невозможно, но у человека есть множество других органов чувств. И с их помощью вполне можно определить наличие такого поля. Самый простой пример — поднести руку к экрану телевизора. Он, как и любые другие электронные устройства, создает вокруг себя именно такое поле, на которое реагируют волоски на руке. В результате человек получает возможность весьма условно, но все же определить наличие или отсутствие такого явления.

Электрическое и электромагнитное поле

Эти понятия не следует путать. Основные характеристики электрического поля указывают на то, что оно является частью своего электромагнитного аналога. На самом деле в составе этого явления два элемента, один из которых рассматривается в данной статье, а второй логически вытекает из названия. Это магнитное поле. Они всегда взаимодействуют друг с другом и обычно рассматриваются вместе, но имеют разные особенности, и поэтому в некоторых случаях их лучше разделять.

Свойства

Каждое такое явление имеет определенные черты, которые постоянно остаются неизменными. Итак, какой бы ни была энергетическая характеристика электрического поля, можно выделить следующие свойства:

Визуально обнаружить такое явление, как и определить его параметры, невозможно. Для этого нужны специальные устройства.

Любое электрическое поле оказывает некоторое влияние на заряды, с помощью которых оно возникает. Они также влияют на его обнаружение.

Электрическое поле абсолютно реально и материально. Она существовала и будет существовать вне зависимости от наших представлений, убеждений, знаний и так далее.

Любое электрическое поле имеет такие характеристики, как напряженность, потенциал и напряжение.

Современная наука уже умеет сознательно создавать такие явления и даже управлять ими в известных пределах, но еще очень далеко от того, чтобы полностью поставить их на службу человеку.

напряжение

Это одна из характеристик электрического поля. Напряжение используется, когда требуется определить «количество» такого явления в определенном месте. Представить это достаточно сложно, особенно без достаточных знаний по физике, так как данный показатель относится именно к данному направлению науки. Итак, эта величина рассчитывается как отношение положительного заряда пробы к силе воздействия. И в то же время характеристика относится к векторным показателям. То есть его направление обязательно аналогично тому, которое воздействует на пробный заряд. Проще говоря, напряженность — это сила или мощность электрического поля в определенное время в определенном месте. Чем выше этот показатель, тем сильнее это явление влияет на окружающие предметы или живых существ.

Потенциал

Это еще одна характеристика электрического поля. Потенциал — это накопленная энергия, которую явление может использовать для перемещения зарядов. Когда он начинает двигаться, на него тратится этот самый ресурс, и в итоге он становится равным нулю. Он накапливается наоборот. В качестве примера можно взять тот же заряд, но расположенный вне электрического поля. Как только какая-то сила перемещает его внутрь и перемещает туда, возникает потенциал.

Проще всего это представить на примере обычной пружины. В состоянии покоя он не имеет потенциала и представляет собой просто изогнутый кусок металла. Но как только мы начнем его сжимать, потенциал начнет возникать. Если отпустить пружину, она моментально распрямляется и заодно перемещает все предметы, которые могут, находящиеся на ее пути. Если вернуться к рассмотренным электрическим полям, то в их случае потенциал будет строго соответствовать приложенным усилиям для перемещения заряда. В современной науке этот показатель измеряется в вольтах.

Напряжение

Фактически любое подобное явление можно описать двумя предыдущими показателями. Но напряжение также является характеристикой электрического поля. Он выводится из потенциала и показывает, какую работу в количественном выражении произвело явление. На примере той же пружины напряжением будет тот показатель, до которого она развернулась после сжатия. То есть, если потенциал — это общая «накопленная энергия», то этот параметр уже дает понять, сколько ее было потрачено на движение зарядов.

Приложение

Характеристики электрических полей предполагают наличие двух основных свойств, которые используются человеком. Так, они могут образовывать ионы, а погруженные в жидкость электроды позволяют без особых усилий разделить ее, грубо говоря, на фракции. Эти свойства основаны на использовании электрических полей.

Лекарство. Здесь используется система воздействия на пораженный участок направленными ионами. В результате они помогают повысить скорость регенерации, очистить рану, убить микробы и так далее. Кроме того, свойства и характеристики электрических полей позволяют им «вибрировать» с высокой частотой. Эта функция также используется. Благодаря ему можно повысить температуру отдельных частей тела, что улучшит кровоток и положительно скажется на здоровье.

Уборка. В этой области используется система разделения жидкости. Таким образом, именно эта особенность используется в очистных сооружениях. Вода, в которой растворено огромное количество всякого мусора, становится очень вредной. В то же время с этим сложно что-то сделать, потому что не все фильтры смогут справиться с проблемой. В такой ситуации используются электрические поля, которые разъединяют воду, отделяя от нее часть загрязнений. В результате получается довольно простой, быстрый и дешевый этап очистки.

Химия. Эта наука использует в промышленности то же свойство разделения жидкостей. Активно используется в лаборатории, но чаще всего его можно встретить в сфере нефтедобычи. В некоторых случаях он оказывается достаточно загрязненным и требуется много времени и денег, чтобы в итоге произвести желаемый продукт. Электрическое поле очень помогает справиться с этим. Он отделяет масло, удаляя большую часть загрязнений и тем самым значительно облегчая его дальнейшую переработку.

Есть много других вариантов использования. Например, электромагнитное поле, к которому относится и рассматриваемое в данной статье явление, может служить беспроводной системой передачи электроэнергии на различные устройства. К сожалению, в большинстве случаев все подобные разработки носят скорее теоретический и экспериментальный характер.

Воздействие на человека

Мы все время окружены электрическим полем. Его свойства и характеристики обычно однотипны и постоянны, так что характерный для нашей планеты природный фон практически не оказывает на человека никакого влияния. Чуть ярче этот эффект становится во время серьезной грозы, когда кажется, что воздух буквально дрожит от напряжения. Но даже это не представляет никакой угрозы для подавляющего большинства людей.

Тем не менее, прогресс не стоит на месте, и постоянно появляется большое количество устройств, каждое из которых генерирует собственное электрическое поле. При этом он намного сильнее естественного фона, который составляет 0,5 кВ/м. Конечно, эта особенность не осталась незамеченной. Давно выведено максимально допустимое напряжение, при котором мы можем существовать практически бесконечно. Она составляет 25 кВ/м. В обычных условиях даже при включении всех бытовых приборов этот показатель не превышается. Обычный человек может получить большую «дозу» только при нахождении (и в течение длительного времени) в непосредственной близости от высоковольтных проводов. Там напряжение уже гораздо выше и стоять рядом (и уж тем более работать) долго крайне не рекомендуется. Даже те специалисты, которые по долгу службы вынуждены находиться вблизи источников таких электрических полей, не должны делать это более полутора часов в сутки. Так, если есть какие-то территории, которые примыкают к линиям электропередач, время пребывания на них должно быть максимально ограничено.

Результаты

В рамках данной статьи мы рассмотрели все основные особенности, свойства и характеристики электрических полей. На основании всего вышесказанного можно сделать вывод, что это очень интересное явление, полное изучение которого может сильно помочь человечеству в далеком будущем.

>>Физика: Электрическое поле

После долгой борьбы теория ближнего действия одержала окончательную победу. Кратко расскажем, как это произошло, а также что такое электрическое поле.
Идеи Фарадея. Решительный поворот к концепции ближнего действия был сделан великим английским ученым Майклом Фарадеем, а окончательно завершен английским ученым Джеймсом Максвеллом.
Согласно теории действия на расстоянии один заряд непосредственно ощущает присутствие другого. При перемещении одного из зарядов, например А ( рис.14.6 ), сила, действующая на другой заряд — В , мгновенно меняет свое значение. И не с самой зарядкой B , никаких изменений в окружающем пространстве не происходит.

Согласно идее Фарадея, электрические заряды не действуют друг на друга напрямую. Каждый из них создает в окружающем пространстве электрических полей . Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает. Первоначально эта идея выражала лишь уверенность Фарадея в невозможности действия одного тела на другое через пустоту.
Не было доказательств существования поля. Такие доказательства нельзя получить, исследуя только взаимодействие стационарных зарядов. Успех в теории ближнего взаимодействия пришел после изучения электромагнитных взаимодействий движущихся заряженных частиц. Сначала было доказано существование переменных во времени полей, и только после этого был сделан вывод о реальности электрического поля стационарных зарядов.
Скорость распространения электромагнитных взаимодействий. Опираясь на идеи Фарадея, Максвелл смог теоретически доказать, что электромагнитных взаимодействий должны распространяться в пространстве с конечной скоростью .
Это означает, что если немного сдвинуть заряд А (см. рис. 14.6), то сила, действующая на заряд В , изменится, но не в тот же момент, а только через некоторое время:

, где АВ — расстояние между зарядами, а С — скорость распространения электромагнитных взаимодействий. Максвелл показал, что скорость с равна скорости света в вакууме, т. е. примерно 300 000 км/с. При движении заряда А электрическое поле вокруг заряда В изменится за время t . Это означает, что между зарядами в вакууме происходит некоторый процесс, в результате которого взаимодействие между ними распространяется с конечной скоростью.
Существование в пространстве определенного процесса между взаимодействующими телами, длящегося конечное время, — это главное, что отличает теорию ближнего действия от теории действия на расстоянии. Все остальные доводы в пользу той или иной теории нельзя считать решающими. Правда, опыт по проверке равенства (14.6) при движении зарядов осуществить затруднительно из-за большого значения скорости С . Но теперь, после изобретения радио, в этом нет необходимости.
Радиоволны. Передача информации с помощью электромагнитных волн называется радиосвязью . Сейчас в газетах можно прочитать, что радиоволны от приближающейся к Венере космической станции достигают Земли более чем за 4 минуты. Станция уже может сгореть в атмосфере планеты, а посылаемые ею радиоволны еще долго будут блуждать в космосе. Таким образом, электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее.
Что такое электрическое поле? Мы знаем, что электрическое поле действительно существует: его свойства можно исследовать эмпирически. Но мы не можем сказать, из чего состоит это поле. Здесь мы достигаем предела того, что знает наука.
Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые, в свою очередь, состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из элементарных частиц. Более простых образований, чем элементарные частицы, мы не знаем. То же самое и с электрическим полем: мы не знаем ничего проще поля. Поэтому о природе электрического поля мы можем сказать только следующее:
во-первых, поле существенное; оно существует независимо от нас, благодаря нашему знанию о нем ;
, во-вторых, поле обладает определенными свойствами, не позволяющими спутать его ни с чем другим в окружающем мире.
Установление этих свойств формирует наши представления о том, что такое электрическое поле.
При изучении электрического поля мы сталкиваемся с особым видом материи, движение которой не подчиняется законам ньютоновской механики. С открытием электрического поля впервые в истории науки возникла глубокая идея: существуют разные виды материи и каждый из них имеет свои свойства.
Основные свойства электрического поля. Основным свойством электрического поля является его действие на электрические заряды с некоторой силой . По действию на заряд устанавливается существование поля, изучается его распространение в пространстве и все его характеристики.
Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим . Он не меняется со временем. В электростатическом поле генерируются только электрические заряды. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано.
Изучая электродинамику, мы познакомимся с новыми свойствами электрического поля. Познакомимся с переменным во времени электрическим полем, которое уже не связано неразрывно с зарядами.
Многие свойства статических и переменных полей совпадают. Однако между ними есть и существенные различия. Говоря о свойствах поля, мы будем называть это поле просто электрическим, если это свойство одинаково присуще как статическим, так и переменным полям.

Навигация по записям

Rj 45 розетка распиновка: распиновка, инструкция по подключению, характеристики
Эмулятор лямбда зонда схема: Схема эмулятора лямбда зонда своими руками

Похожие записи

05.09.2023 0

Coocox: CooCox. Текущее состояние дел. / CoIDE / Pluslab

05.09.2023 0

Приборы для измерения давления жидкости: Манометр — из чего состоит? Виды и типы

05.09.2023 0

Регулируемая индуктивность: Регулируемая катушка индуктивности на кольцевом сердечнике

Добавить комментарий Отменить ответ
Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *
Комментарий *
Имя *

Email *

Сайт

Рубрики
Автолюбителям

Датчик

Лайфхаки

Преобразователь

Своими руками

Схемы

Усилитель

Разное

© 2018 M-Gen

Карта сайта