Электрическое поле это в физике. Электрическое поле: основные характеристики и свойства

Что такое электрическое поле. Как оно создается и обнаруживается. Какими свойствами обладает. Как описывается напряженность электрического поля. Что представляют собой силовые линии поля. Как рассчитывается потенциал электрического поля. Чем отличаются проводники и диэлектрики в электрическом поле.

Что такое электрическое поле и как оно создается

Электрическое поле — это особая форма материи, которая существует вокруг электрически заряженных тел и частиц. Оно обладает следующими ключевыми свойствами:

• Создается электрическими зарядами
• Действует на другие электрические заряды с определенной силой
• Распределено непрерывно в пространстве вокруг зарядов
• Ослабевает по мере удаления от создающего его заряда

Электрическое поле было впервые описано Майклом Фарадеем в XIX веке для объяснения взаимодействия между зарядами на расстоянии. Согласно современным представлениям, любой электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое простирается в пространстве теоретически до бесконечности, хотя его действие ослабевает с расстоянием.

Напряженность как основная характеристика электрического поля

Основной силовой характеристикой электрического поля является напряженность. Это векторная физическая величина, которая определяется следующим образом:

E = F / q

где E — напряженность поля, F — сила, действующая на пробный заряд q, помещенный в данную точку поля.

Напряженность электрического поля измеряется в ньютонах на кулон (Н/Кл) или вольтах на метр (В/м). Она характеризует силовое действие поля на заряженные тела и не зависит от величины пробного заряда.

Силовые линии электрического поля

Для наглядного представления электрического поля используют силовые линии (линии напряженности). Это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля. Силовые линии обладают следующими свойствами:

• Начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
• Никогда не пересекаются
• Густота линий пропорциональна модулю напряженности поля

По картине силовых линий можно судить о конфигурации и силовых свойствах электрического поля в различных его точках.

Потенциал электрического поля

Помимо силовой характеристики — напряженности, электрическое поле описывается также энергетической характеристикой — потенциалом. Потенциал φ определяется как отношение потенциальной энергии W пробного заряда q, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда:

φ = W / q

Потенциал измеряется в вольтах (В). Он характеризует работу, которую совершает поле при перемещении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Поведение веществ в электрическом поле существенно различается в зависимости от наличия в них свободных зарядов:

• В проводниках (металлы, электролиты) имеются свободные заряды, которые под действием поля перемещаются, создавая электрический ток
• В диэлектриках (изоляторах) свободных зарядов нет, но происходит поляризация — смещение связанных зарядов

В проводнике в электростатическом поле заряды перераспределяются так, что поле внутри проводника становится равным нулю. В диэлектрике же поле ослабляется, но не исчезает полностью.

Применение знаний об электрическом поле

Понимание свойств и характеристик электрического поля имеет огромное значение для развития современных технологий. Знания об электрическом поле применяются в таких областях, как:

• Разработка электронных устройств
• Создание систем электростатической защиты
• Проектирование линий электропередач
• Развитие методов электростатической очистки газов
• Совершенствование электронной микроскопии

Таким образом, электрическое поле играет фундаментальную роль в современной физике и технике, а его изучение открывает широкие перспективы для дальнейшего научно-технического прогресса.

Закон Кулона и его применение

Одним из фундаментальных законов электростатики является закон Кулона, который описывает силу взаимодействия между точечными зарядами. Этот закон был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном в 1785 году.

Согласно закону Кулона, сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

F = k * |q1| * |q2| / r^2

где F — сила взаимодействия, q1 и q2 — величины зарядов, r — расстояние между зарядами, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от среды.

Закон Кулона позволяет рассчитывать силы взаимодействия между зарядами и является основой для многих практических расчетов в электростатике.

Принцип суперпозиции электрических полей

Важнейшим свойством электрического поля является принцип суперпозиции. Он гласит, что напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

E = E1 + E2 + … + En

Этот принцип позволяет рассчитывать сложные электрические поля, создаваемые системами зарядов, путем сложения полей от отдельных зарядов. Он широко применяется при решении практических задач электростатики.

Электростатическая индукция и ее практическое значение

Электростатическая индукция — это явление перераспределения зарядов в проводнике под действием внешнего электрического поля. При этом на противоположных сторонах проводника возникают заряды противоположных знаков, а суммарный заряд проводника остается неизменным.

Явление электростатической индукции имеет важное практическое значение:

• Оно используется в электростатических генераторах для получения высоких напряжений
• На его основе работают электростатические фильтры для очистки газов
• Оно применяется в некоторых типах конденсаторных микрофонов
• Учет этого явления важен при проектировании систем молниезащиты

Понимание механизма электростатической индукции позволяет эффективно управлять распределением зарядов в проводниках и создавать на этой основе различные технические устройства.

Электрическое поле | 8 класс

Содержание

В проведенных на прошлых уроках опытах вы увидели, что заряженные тела притягиваются друг к другу или отталкиваются друг от друга. Значит, они как-то взаимодействуют друг с другом. При этом взаимодействие происходит не только при непосредственном соприкосновении тел.

Это заставляет нас сделать вывод, что электрические заряды взаимодействуют на расстоянии. И чем ближе они находятся друг к другу, тем это взаимодействие сильнее.

Каким же образом осуществляется это взаимодействие? На данном уроке мы ответим на этот вопрос, введем новые определения и узнаем их свойства.

Передача электрического взаимодействия

В изучении механических явлений мы наблюдали, как тела взаимодействуют друг с другом при непосредственном контакте. Например, человек передвигает шкаф, мяч падает на землю, рычаг поднимает груз. А теперь, рассматривая электрические явления, мы наблюдаем совсем другую картину.

Так как же взаимодействуют друг с другом заряженные тела?

В прошлых опытах наэлектризованные тела находились на каком-то расстоянии друг от друга. Логично предположить, что это взаимодействие осуществлялось через воздух, окружающий эти тела.

Значит, если воздуха не будет и мы создадим вакуум, то и электрического взаимодействия между телами не будет?

Давайте проверим эту гипотезу на опыте. Возьмем заряженный электроскоп и поместим его под купол воздушного насоса (рисунок 1).

Рисунок 1. Заряженный электроскоп под куполом воздушного насоса

Создадим под куполом вакуум. По идее, если бы наша гипотеза о взаимодействии наэлектризованных тел через воздух работала, то лепестки электроскопа должны были бы опуститься. Но они по-прежнему отталкиваются друг от друга. 

Значит, наша гипотеза неверна. Взаимодействие происходит каким-то другим образом.

{"questions":[{"content":"Электрическое взаимодействие между телами в вакууме[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Не проявляется","Проявляется","Зависит от знака взаимодействующих зарядов"],"explanations":["Опыт с заряженным электроскопом показывает, что электрическое взаимодействие остается и в среде без воздуха. ","","В вакууме взаимодействуют любые заряды."],"answer":[1]}}}]}

Электрическое поле

В поисках ответа на вопрос о взаимодействии наэлектризованных тел было проведено множество научных исследований. В итоге, учёные пришли к выводу, что любое заряженное тело окружено электрическим полем.

Электрическое поле — это особый вид материи, посредством которого осуществляется электрическое взаимодействие заряженных тел.

• Этот вид материи радикально отличается от вещества. Мы не можем зафиксировать его наличие с помощью наших органов чувств
• Электрическое поле окружает любое заряженное тело
• Электрическое поле проявляет себя в том, что оно действует на любой находящийся в нем электрический заряд

{"questions":[{"content":"Электрическое поле существует[[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["Вокруг любого заряженного тела","Вокруг всех тел","Только вокруг тела с положительным зарядом","Только вокруг тела с отрицательным зарядом"],"explanations":["","Если тело электрически нейтрально (не обладает зарядом), то электрическое поле не возникает. ","",""],"answer":[0]}}}]}

Электрическая сила

Представим, что у нас есть два электрических заряда, между которыми мы наблюдаем отталкивание или притяжение. Каждый из них окружает электрическое поле.

Теперь мы можем объяснить взаимодействие между ними следующим образом:

электрическое поле, окружающее первый заряд, действует с некоторой силой на второй заряд, который в поле первого заряда. И в это же время электрическое поле второго заряда действует на первый.

С какой силой происходит это взаимодействие? Введем новое определение.

Электрическая сила — это сила, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд.

{"questions":[{"content":"Если внести в электрическое поле заряженное тело, то на него[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["будет действовать электрическая сила","Не будет оказано никакого действия","Будет действовать сила трения"],"answer":[0]}}}]}

Взаимодействие наэлектризованных тел

Сделаем важные выводы о взаимодействии наэлектризованных тел друг с другом, проведя пару простых опытов.

У нас есть гильза, изготовленная из металлической фольги. Она подвешена на шелковой нити и уже наэлектризована. 

Возьмем наэлектризованную эбонитовую палочку. Она имеет отрицательный заряд. Поднесем ее к нашей гильзе. Она оттолкнется от палочки (рисунок 2).

Рисунок 2. Взаимодействие наэлектризованных тел

Получается, что мы обнаружили электрическое поле эбонитовой палочки по его действию на заряд, которым обладает гильзе.

Но наэлектризованная гильза тоже имеет электрическое поле. Следовательно, она тоже действовала на эбонитовую палочку. Мы не смогли этого увидеть, потому что палочка была зафиксирована в нашей руке.

Значит,

В случае наэлектризованных тел наблюдается взаимодействие.

Проведем следующий опыт. Возьмем наэлектризованную эбонитовую палочку и гильзу, но уже с противоположным — положительным — зарядом.

Поднесем палочку к гильзе. Подвешенная на нити гильза начнет притягиваться к палочке (рисунок 3).

Если мы будем постепенно приближать палочку, то увидим, что гильза все больше и больше протягивается. Угол ее отклонения увеличивается.

Рисунок 3. Зависимость действия электрического поля от расстояния между зарядами

Значит, чем ближе находятся друг к другу наэлектризованных тела, тем сильнее действие электрического поля.

Вблизи заряженного тела действие поля сильнее, а по мере удаления от него действие поля ослабевает.

{"questions":[{"content":"Действие электрического поля зависит от [[choice-17]]","widgets":{"choice-17":{"type":"choice","options":["Расстояния до внесеннего в него заряженного тела","Времени взаимодействия","Того, находится заряженое тело в воздухе или в вакууме"],"explanations":["Чем меньше расстояние, тем сильнее электрическое поле действует на заряженное тело.","",""],"answer":[0]}}}]}

Свойства электрического поля

1. Электрическое поле возникает вокруг любого заряда
2. Определяется оно по действию на другой электрический заряд
3. Все электрические взаимодействия сопровождаются образованием электрического поля
4. Электрическое поле обладает некоторой энергией

Последнее свойство является следствием того, что на заряд в электрическом поле действует электрическая сила. Если действует сила, то поле совершает какую-то работу. Если же совершается работа, то поле обладает определенной энергией.

{"questions":[{"content":"Электрическое поле можно определить, рассматривая[[choice-20]]","widgets":{"choice-20":{"type":"choice","options":["Его действие на другой электрический заряд","Любой электрический заряд","Электризацию тел"],"explanations":["","Любой электрический заряд обладает электрическим полем, но этот факт не позволяет нам определить наличие этого поля.","Электризация позволяет нам говорить о делимости электрического заряда, но не позволяет как-то определить электрическое поле."],"answer":[0]}}}]}

Упражнения

Упражнение №1
Куда будут двигаться отрицательно заряженные пушинки, попавшие в электрическое поле потертой мехом эбонитовой палочки?

Если мы натрем о мех эбонитовую палочку, то она обретет отрицательный заряд. Если она теперь имеет электрический заряд, значит, вокруг нее теперь существует электрическое поле. Отрицательно заряженные пушинки будут отталкиваться от эбонитовой палочки, так как палочка и пушинки имеют одноименные заряды.

Упражнение №2
К заряженной гильзе поднесли палочку, имеющую заряд противоположного знака. Как будет меняться отклонение гильзы по мере приближения палочки? Почему?

Чем ближе мы будет подносить палочку к гильзе, тем сильнее последняя будет отклоняться — будет увеличиваться ее угол наклона. Происходить это будет потому, что при сокращении расстояния между палочкой и гильзой действие электрического поля будет усиливаться.

Электрическое поле – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

Электродинамика – раздел физики, изучающий свойства и взаимодействия электрических зарядов, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

Электростатикой называется раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел или частиц.

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между электрически заряженными частицами или макротелами.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого мал по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие.

Содержание

• Электризация тел
• Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов
• Закон сохранения электрического заряда
• Закон Кулона
• Действие электрического поля на электрические заряды
• Напряженность электрического поля
• Принцип суперпозиции электрических полей
• Потенциальность электростатического поля
• Потенциал электрического поля. Разность потенциалов
• Проводники в электрическом поле
• Диэлектрики в электрическом поле
• Электрическая емкость. Конденсатор
• Энергия электрического поля конденсатора
• Основные формулы раздела «Электрическое поле»

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.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10^-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10^-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10^-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует.

Электрические заряды взаимодействуют:

• заряды одного знака отталкиваются:
• заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Закон сохранения электрического заряда

Систему называют замкнутой (электрически изолированной), если в ней не происходит обмена зарядами с окружающей средой.

В любой замкнутой (электрически изолированной) системе сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри нее.

Полный электрический заряд ​\( (q) \)​ системы равен алгебраической сумме ее положительных и отрицательных зарядов ​\( (q_1, q_2 … q_N) \)​:

Важно!
В природе не возникают и не исчезают заряды одного знака: положительный и отрицательный заряды могут взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны по модулю.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

где ​\( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \)​ (Н·м²)/Кл² – коэффициент пропорциональности,
​\( \varepsilon_0=8. {-12} \)​ Кл²/(Н·м²) – электрическая постоянная.

Коэффициент ​\( k \)​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Закон Кулона применим к взаимодействию

• неподвижных точечных зарядов;
• равномерно заряженных тел сферической формы.

В этом случае ​\( r \)​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

Важно!
Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции).

Действие электрического поля на электрические заряды

Электрическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг электрически заряженных тел.

Впервые понятие электрического поля было введено Фарадеем. Он объяснял взаимодействие зарядов следующим образом: каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое с некоторой силой действует на другой заряд.

Свойства электрического поля заключаются в том, что оно:

• материально;
• создается зарядом;
• обнаруживается по действию на заряд;
• непрерывно распределено в пространстве;
• ослабевает с увеличением расстояния от заряда.

Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу.

Силу, с которой электрическое поле действует на заряд, можно рассчитать по формуле:

где ​\( \vec{E} \)​ – напряженность электрического поля, ​\( q \)​ – заряд.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов механики с учетом закона Кулона и вытекающих из него следствий.

Алгоритм решения задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним:

• сделать рисунок; указать силы, действующие на точечный заряд, помещенный в электрическое поле;
• записать для заряда условие равновесия или основное уравнение динамики материальной точки;
• выразить силы электрического взаимодействия через заряды и поля и подставить эти выражения в исходное уравнение;
• если при взаимодействии заряженных тел между ними происходит перераспределение зарядов, к составленному уравнению добавить уравнение закона сохранения зарядов;
• записать математически все вспомогательные условия;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• проверить решение

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля ​\( \vec{E} \)​ – векторная физическая величина, равная отношению силы ​\( F \)​, действующей на пробный точечный заряд, к величине этого заряда ​\( q \)​:

Обозначение – \( \vec{E} \), единица измерения в СИ – Н/Кл или В/м. 9 \) (Н·м²)/Кл²,
​\( q_0 \)​ – заряд, создающий поле,
​\( r \)​ – расстояние от заряда, создающего поле, до данной точки.

Напряженность поля точечного заряда в среде вычисляется по формуле:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Важно!
Напряженность электрического поля не зависит от величины пробного заряда, она определяется величиной заряда, создающего поле.

Направление вектора напряженности в данной точке совпадает с направлением силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку.

Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке направлена вдоль вектора напряженности ​\( \vec{E} \)​.

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и заканчиваются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность от положительного заряда и приходят из бесконечности к отрицательному заряду.

Распределение линий напряженности вокруг положительного и отрицательного точечных зарядов показано на рисунке.

Определяя направление вектора ​\( \vec{E} \)​ в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

Поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке, называется однородным электрическим полем. Однородным можно считать электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.

Принцип суперпозиции электрических полей

Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов.

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы ​\( N \)​ зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

Электрические поля от разных источников существуют в одной точке пространства и действуют на заряд независимо друг от друга.

Потенциальность электростатического поля

Электрическое поле с напряженностью ​\( \vec{E} \)​ при перемещении заряда ​\( q \)​ совершает работу. Работа ​\( A \)​ электростатического поля вычисляется по формуле:

где ​\( d \)​ – расстояние, на которое перемещается заряд,
​\( \alpha \)​ – угол между векторами напряженности электрического поля и перемещения заряда.

Важно!
Эта формула применима для нахождения работы только в однородном электростатическом поле.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Потенциальным называется поле, работа сил которого по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

Важно!
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным.

Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​\( W \)​, так как буквой ​\( E \)​ обозначают напряженность поля:

Потенциальная энергия заряда ​\( q \)​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов вычисляется относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии поля силы тяжести). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства при решении задачи.

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Обозначение – ​\( \varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение – ​\( \Delta\varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​\( U \)​ и называют напряжением.

Важно!
Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:

Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле.

В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​\( q \)​ в точке, удаленной от него на расстояние ​\( r \)​, вычисляется по формуле:

Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​\( r =R \)​, где ​\( R \)​ – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю.

Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

• Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
• Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

Алгоритм решения таких задач:

• установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
• ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
• записать законы сохранения и движения для объектов;
• выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
• составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
• проверить решение.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называют вещества, в которых может происходить упорядоченное перемещение электрических зарядов, т. е. протекать электрический ток.

Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот, ионизованные газы. В проводниках есть свободные электрические заряды. В металлах валентные электроны взаимодействующих друг с другом атомов становятся свободными.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыточный отрицательный заряд, а на противоположной – избыточный положительный заряд.

Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды расположены на поверхности проводника.

Важно!
Если внутри проводника есть полость, то напряженность в ней будет равна нулю независимо от того, какое поле имеется вне проводника и как заряжен проводник. Внутренняя полость в проводнике экранирована (защищена) от внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита.

Явление перераспределения зарядов во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Заряды, разделенные электростатическим полем, взаимно компенсируют друг друга, если проводник удалить из поля. Если такой проводник разрезать, не вынося из поля, то его части будут иметь заряды разных знаков.

Важно!
Во всех точках поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно к его поверхности. Поверхность проводника является эквипотенциальной (потенциалы всех точек поверхности проводника равны).

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение – ​\( C \)​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

Формула для вычисления электроемкости:

где ​\( q \)​ – заряд проводника, ​\( \varphi \)​ – его потенциал.

Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​\( q \)​ – модуль заряда одной из обкладок,
​\( U \)​ – разность потенциалов между обкладками.

Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​\( S \)​, находящиеся на расстоянии ​\( d \)​ друг от друга.

Электроемкость плоского конденсатора:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,
\( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначается:

Виды конденсаторов:

• по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
• по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
• по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

Конденсаторы можно соединять между собой.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

Общая емкость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

Общее напряжение:

Величина, обратная общей емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

Важно!
Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости.

Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Электрическая энергия конденсатора сосредоточена в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле, поэтому ее называют энергией электрического поля. Формулы для вычисления энергии электрического поля:

Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению, то энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряженности.

Плотность энергии электрического поля:

где ​\( V \)​ – объем пространства между обкладками конденсатора.

Плотность энергии не зависит от параметров конденсатора, а определяется только напряженностью электрического поля.

Основные формулы раздела «Электрическое поле»

Законы постоянного тока →

← Термодинамика

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: электрические поля




Ученые поняли, почему силы действуют так, как они действуют, когда объекты соприкасаются. Их смущала идея о силах, которые действуют на расстоянии, не касаясь друг друга. Подумайте о таких примерах, как гравитационная сила, электрическая сила и магнитная сила. Чтобы помочь им объяснить, что происходит, они использовали идею « поля ». Они представляли, что вокруг объекта есть область, и все, что войдет, почувствует силу. Мы говорим, например, что Луна имеет гравитационное поле вокруг него, и если вы приблизитесь к Луне, оно притянет вас к ее поверхности.

Электрическое поле описывает напуганную область вблизи любого электрически заряженного объекта. Ученые не используют слово «фанки», но это работает. Его также можно назвать электростатическим полем . Любой другой заряд, попадающий в эту область, будет ощущать силу, и исходный объект также будет ощущать эту силу (третий закон Ньютона). Это как паук, сидящий в центре паутины.

Нормальное поле представляет собой вектор и представлено стрелками. Гравитационное поле Земли (или любой планеты) будет изображено в виде стрелок, указывающих на землю. Вектор поля показывает направление воздействия на объект, попадающий в поле. Гравитация действует вниз.

С электрическим полем дело обстоит немного сложнее, так как есть два вида зарядов, и одни комбинации притягивают , а другие отталкивают . Чтобы быть в согласии друг с другом, физики решили, что всегда будут использовать положительные заряды для определения направления действия поля. Итак, если центральный заряд был положительным, и вы поместили рядом с ним другой положительный заряд, этот второй заряд оттолкнется наружу. Таким образом, векторы поля для центрального положительного заряда направлены наружу. Если центральный заряд отрицателен, положительный заряд, расположенный поблизости, будет притягиваться к центральному заряду, поэтому векторы поля для центрального отрицательного заряда указывают внутрь.

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

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






Или поищите на сайтах по конкретной теме.



• Обзор
• Сборы
• Проводники
• Электрические поля
• Магнитные поля
• Текущий
• Сопротивление
• Закон Фарадея
• Закон Кулона
• Магниты
• Питание постоянного тока
• Мощность переменного тока
• Дополнительные темы

---

---

История электричества (видео НАСА/WhyFiles)





Encyclopedia. com (Электромагнитное поле):
(Индукция):
http://www.encyclopedia.com/topic/induction.aspx
Википедия:
http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_field
Британская энциклопедия:
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/182554/electric-field

Электрическое поле – Гиперучебник по физике

[закрыть]

введение

Немного текста и несколько диаграмм. Электрическое поле как векторное поле.

	и так далее…

И еще схемы. Электрическое поле как силовые линии.

	и так далее…

И, может быть, немного математики. В классической теории поля напряженность поля в точке представляет собой нормированное значение поля.