Основные свойства электрического поля: характеристики, закономерности и применение

Что такое электрическое поле. Какими основными свойствами оно обладает. Как описывается электрическое поле физическими величинами. Где применяются свойства электрического поля на практике.

Понятие электрического поля и его основные характеристики

Электрическое поле — это особый вид материи, который существует вокруг электрически заряженных тел или частиц. Оно проявляет себя через действие сил на другие заряженные объекты, помещенные в это поле.

Основные характеристики электрического поля:

• Напряженность электрического поля E — векторная величина, характеризующая силовое действие поля на заряженные тела. Измеряется в вольтах на метр (В/м).
• Потенциал φ — скалярная энергетическая характеристика поля. Измеряется в вольтах (В).
• Силовые линии — линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности поля.

Основные свойства электрического поля

Электрическое поле обладает рядом фундаментальных свойств:

1. Потенциальность

Электрическое поле является потенциальным, то есть работа сил поля не зависит от траектории движения заряда, а определяется только начальным и конечным положением. Это свойство позволяет ввести понятие потенциала.

2. Принцип суперпозиции

Напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности:

E = E1 + E2 + … + En

Это фундаментальное свойство позволяет рассчитывать сложные электрические поля.

3. Непрерывность силовых линий

Силовые линии электрического поля непрерывны — они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность. Силовые линии никогда не пересекаются.

Электрическое поле в проводниках и диэлектриках

Поведение электрического поля существенно различается в проводниках и диэлектриках:

Проводники в электрическом поле

В проводниках под действием электрического поля происходит перераспределение свободных зарядов. В результате:

• Внутри проводника в статическом состоянии электрическое поле отсутствует
• Весь свободный заряд проводника располагается на его поверхности
• Поверхность проводника является эквипотенциальной

Диэлектрики в электрическом поле

В диэлектриках под действием внешнего поля происходит поляризация — смещение связанных зарядов. При этом:

• Внутри диэлектрика электрическое поле ослабляется в ε раз, где ε — диэлектрическая проницаемость
• На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды
• Силовые линии преломляются на границе диэлектрика

Теорема Гаусса для электрического поля

Теорема Гаусса связывает поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность с зарядом, заключенным внутри этой поверхности:

ΦE = ∫E·dS = q/ε0

Где:

• ΦE — поток вектора напряженности
• q — заряд внутри замкнутой поверхности
• ε0 — электрическая постоянная

Теорема Гаусса позволяет рассчитывать электрические поля, обладающие симметрией.

Энергия электрического поля

Электрическое поле обладает энергией. Объемная плотность энергии электрического поля определяется выражением:

w = εε0E^2/2

Где:

• w — объемная плотность энергии
• ε — диэлектрическая проницаемость среды
• ε0 — электрическая постоянная
• E — напряженность электрического поля

Применение свойств электрического поля

Знание свойств электрического поля находит широкое применение в науке и технике:

• Электростатическая защита чувствительных приборов
• Электрофильтры для очистки газов от примесей
• Электростатическое нанесение краски в промышленности
• Копировальные аппараты и лазерные принтеры
• Ускорители заряженных частиц
• Электронные микроскопы

Методы исследования электрических полей

Для изучения электрических полей применяются различные методы:

• Теоретические расчеты на основе закона Кулона и принципа суперпозиции
• Метод пробных зарядов для измерения напряженности поля
• Визуализация силовых линий с помощью мелких диэлектрических частиц
• Компьютерное моделирование электрических полей
• Измерение потенциалов электрометром

Электрическое поле Земли

Земля обладает собственным электрическим полем. Его основные характеристики:

• Напряженность у поверхности Земли около 130 В/м
• Направлено вертикально вниз к поверхности
• Потенциал ионосферы относительно Земли около 400 000 В
• Существенно влияет на атмосферные процессы

Изучение электрического поля Земли важно для понимания многих геофизических явлений.

| Основные свойства электрического заряда

Основные свойства электрического заряда:

1.  Заряд инвариантен – его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчёта.

2.  Заряд сохраняется – суммарный заряд изолированной систе-мы тел не изменяется.

3.  Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.

4.  Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен ми-нимальному заряду, который обозначается символом e и ра —

вен 1,6 10 19 Кл.

12

5.  Существуют заряды двух разных «сортов». Заряды одного «сорта» названы положительными, а другого «сорта» – от—рицательными. Одноимённые заряды отталкиваются, а раз-ноимённые – притягиваются.

Если вблизи одной заряженной частицы (заряда q1 ), располо-

женной в начале координат, будет находиться вторая заряженная час-тица (заряд q2 ), то на второй заряд будет действовать электрическая

(кулоновская) F , определяемая законом Кулона:

F 4 q1q2r 2 er ,

0

где r – радиус-вектор точки наблюдения;

er – единичный радиус-вектор, направленный в точку наблюде-ния;

0 – электрическая постоянная; – диэлектрическая проницаемость среды (в вакууме 1).

Напряжённость электрического поля – характеристика силового действия электрического поля на заряд. Напряжённость электриче-ского поля, создаваемого зарядом q1 , есть векторная величина, обо-

значаемая символом E(q1 ) и определяемая соотношением:

			F	,
		E(q )
		1	q2
где	– сила, действующая на заряд q2 .
F

Силовые линии или линии напряжённости – линии, в любой точке которых вектор напряжённости электрического поля направлен по касательной к ним.

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции: на-пряжённость электрического поля нескольких источников является суммой векторов напряжённости поля, создаваемого независимо каж-дым источником:

E Ei .

i

Потоком электрического поля называется интеграл по некото-рой поверхности S от скалярного произведения напряжённости элек-трического поля на элемент поверхности:

ФЕ EdS ,

S

где вектор dS направлен по нормали к поверхности.

13

плечо диполя).

Дипольный (электрический) момент есть произведение

Закон Гаусса для электрического поля: поток электрического поля через замкнутую поверхность S0 пропорционален суммарному

заряду, расположенному внутри объёма, ограниченного поверхно-стью интегрирования потока V (S0 ) :

Ф0E			1	q j .
EdS
S0			0	j

Линии напряжённости электрического поля точечного заряда представляют собой прямые линии, идущие от заряда (положительно-го) или к заряду.

Потенциалом данной точки r электрического поля называется скалярная величина, численно равная работе сил поля по перемеще-нию единичного положительного заряда из данной точки в другую

фиксированную точку r0 , в которой потенциал принят за 0 (напри-мер, в бесконечность):

(r ) Edr .

r

Уравнение, выражающее напряжённость через потенциал:

E grad( ) , где оператор градиента grad		;		;			.
x	y
				z

Диполь есть два одинаковых по величине, но противоположных по знаку точечных заряда q , расположенных на расстоянии L ( L –

| pe | qL .

Вектор дипольного момента направлен от отрицательного к положи-тельному заряду.

На линии, проходящей через центр диполя, перпендикулярно электрическому моменту диполя и на большом расстоянии r от его центра напряжённость равна:

	1		pe	.
E
4 0
		r3

Методика и порядок измерений

Рассмотрите рисунок 2.1 и зарисуйте необходимое в конспект.

14

Рис. 2.1. Взаимодействие зарядов

Эксперимент 1. Исследование поля точечного заряда

1. Запустите эксперимент «Взаимодействие электрических заря-

дов».

2. Зацепив мышью, перемещайте заряд q1 и зафиксируйте его

вблизи левой границы экспериментального поля. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины первого заряда и устано-вите величину заряда q1 , указанную в таблице 2. 1, для вашей брига-

ды. Заряд q3 поместите под первым, а его величину установите рав-ной 0. Заряд

q2 установите равным 10-8 Кл.

3. Перемещайте, нажав левую кнопку мыши, заряд q2 вправо, устанавливая расстояния r12 до первого заряда, указанные в табли-

це 2.1. Измеренные в данных точках значения E1	F12 / q2 занесите в
соответствующую строку таблицы 2.2.
					Таблица 2.1
Значения величины заряда q 10 8	Кл (не перерисовывать)
		1
Бригада				q1, Кл
1 и 5	4	6		8		10
2 и 6	4	5		9		10
3 и 7	-4	-5		-7		-9
4 и 8	-4	-6		-8		-10
					15

29.

Элетрическое поле. Основные свойства электрического поля.

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом.

Электрическое поле потенциально, и любая заряженная частица в нём обладает потенциальной энергией. Поле, работа которого при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю – называют потенциальным полем.

30.Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы (вектор F) действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:

Вектор E=Вектор F \ q

Принцип суперпозиции — электростатический потенциал, создаваемый в данной точке системой зарядов, есть сумма потенциалов отдельных зарядов.

31.Проводники и диэлектрики в электростатическом поле.

Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю, а потенциалы во всех точках одинаковы и равны потенциалу на поверхности проводника.

Диэлектрики — ???

32.Потенциал электростатического поля и разность потенциалов. Связь между напряженностью электростатического поля и разностью потенциалов.

Электростатический потенциа́л — скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный заряд, помещённый в данную точку поля. В СИ за единицу разности потенциалов принимают вольт (В)

Напряжённость, силовая характеристика поля, и разность потенциалов, его энергетическая характеристика, связаны однозначно.

33.Электроемкость. Единицы электроемкости. Конденсаторы.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах.

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

34.Электрический ток. Сила тока. Условия необходимые для существования электрического тока.

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны

Сила тока в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду q, протекающему в единицу времени t через сечение проводника. Обозначается буквой J

35.Закон Ома для участка цепи. Сопротивление. Электрические цепи. Соединения проводников.

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению J= u\R

Сопротивление (R) – величина характеризующая противодействие проводника установлению в нём электрического тока. СИ= Ом

Электри́ческая цепь — совокупность устройств, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение

Последовательное и параллельное соединения в электротехнике — два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.

Основные свойства электрического заряда

Наличие электрических зарядов наблюдается не только в области науки, но и в повседневной жизни людей, например, растирание линейкой сухих волос приводит к тому, что некоторые пряди волос встают дыбом. и это происходит потому, что электрические заряды присутствуют повсюду во всем. Только что упомянутый пример был примером временного заряда электрических зарядов.

Электрический заряд

Это основное физическое свойство материи, благодаря которому при нахождении в поле электричества возникает сила. Электрические заряды бывают двух типов,

• Положительный заряд

Положительные заряды или протоны имеют заряд +1,6 × 10 ^-19 Кулон. Силовые линии положительного заряда выходят изнутри и уходят в бесконечность.

• Отрицательный заряд

Отрицательные заряды или электроны имеют заряд -1,6 × 10 ^-19 кулонов. Силовые линии отрицательного заряда идут из бесконечности.

В приведенном выше примере пряди волос начинают притягиваться к линейке из-за электрических зарядов. Точно так же трение шарика о волосы притягивает волосы к шарику, если одновременно тереть два шарика, шарики начнут отталкиваться друг от друга, но притягивать пряди волос.

Скорость изменения электрического заряда известна как электрический ток,

I = q/t

Свойства электрических зарядов

быть очень маленьким, известным как точечный заряд. Точечные заряды меньше, чем расстояние между ними.

• Аддитивность электрических зарядов

Электрические заряды, рассматриваемые как точечные, имеют скалярную природу. При этом важно отметить, что заряды могут быть точечными, но они по-прежнему бывают положительными и отрицательными зарядами. Аддитивное свойство электрических зарядов гласит, что если внутри находится n зарядов, общий присутствующий заряд будет алгебраической суммой отдельных зарядов.

Q = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ +… .. Q _N

• Сохранение. ни создано, ни уничтожено. Их можно перенести из одного тела в другое, но нельзя создать или разрушить. В изолированной системе заряды всегда сохраняются.
  • Квантование заряда

  Согласно квантованию электрического заряда, Электрические заряды определяются как целое число, кратное имеющемуся на них заряду, следовательно, в любой системе Заряды будут,

  q = ne

  Где, 

  n = Целые числа

  e = величина заряда (1,6× 10 ^-19 Кл)

  Некоторые другие свойства электрического заряда

  • Заряд — скалярная величина.
  • Заряды переносимы, они переходят от одного тела к другому.
  • Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
  • Заряд всегда связан с массой.

  Примеры вопросов

  Вопрос 1. Каковы три основных свойства заряда?

  Ответ:

  Три основных свойства заряда:

  1. Аддитивность зарядов
  2. Квантование зарядов
  3. Консервация

  Вопрос 2: А. заряд, развиваемый на шерстяном полотне, равен 7×10 ^-9 C. Какова сумма переведенных сборов?

  Решение:

  Общая зарядка присутствует = 7 × 10 ^-9 C.

  Q = 1,6 10 ^-19 C.

  Q = NE

  7 × 10 ^{— 9} = n × 1,6 × 10 ^-19

  n = 4,375 × 10 ¹⁰ C.

  Вопрос 3. Может ли существовать заряд без массы?

  Ответ:

  Одним из основных свойств электрического заряда является то, что Заряд всегда связан с Массой. Заряд не существует без массы.

  Вопрос 4: Сколько электронов содержится в одном кулоне?

  Решение:

  Заряд на 1 электронах = 1,6 × 10 ^-19 C

  Количество электронов, присутствующих в 1 кулоне = 1/(1,6 × 100015 -19 )

  = 6.25 × 10 100015 -19 )

  = 6.25 × 100015 -19 ) ¹⁸ Электроны.

  Вопрос 5: В изолированной системе присутствуют 5 различных типов зарядов, значения зарядов: +5 нКл, -6 нКл, +3 нКл, +4 нКл, +1 нКл. Каков общий заряд в системе?

  Решение:

  Свойство добавки электрических зарядов —

  Q = Q ₁ + Q ₂ + Q ₃ + Q ₄ + Q ₅

  Q = Q ₄ + Q ₅

  Q = (4 + Q ₅

  Q = Q _{+ Q 5}

  Q = (Q ₄ + Q ₅ Q _{. +5 – 6+ 3+ 4+ 1) нКл}

  Q = 7 нКл 

  Вопрос 6. Если система имеет 0 зарядов в целом. Верно ли, что в системе нет зарядов?

  Ответ: 

  Нет, неверно, что в системе всегда не будет зарядов, если общий заряд внутри равен 0. Существует вероятность, что весь положительный заряд нейтрализует весь отрицательный заряд и общая система имеет 0 зарядов.

  Линии электрического поля: Понятия, определение и свойства

  Давайте теперь узнаем о силовых линиях, которые являются графическим представлением или способом представить электрические поля. Понятие электрического поля впервые было предложено физиком XIX века Майклом Фарадеем. Фарадей понимал, что структура линий, описывающая электрическое поле, является невидимой реальностью.

  Для одного положительного точечного заряда q электрическое поле определяется соотношением 9{2}}$

  Теперь, чтобы получить представление об этом поле, можно нарисовать несколько репрезентативных векторов, как показано на рисунке ниже.

  • вектор заряда становится короче по мере удаления от начала координат, и они всегда направлены радиально наружу.
  • Соединение этих векторов в линию — хороший способ представить электрическое поле.
  • Линия электрического поля – это воображаемая линия, нарисованная таким образом, что ее направление в любой точке совпадает с направлением поля в этой точке.
  • Линия поля в целом представляет собой кривую, нарисованную таким образом, что касательная к ней в каждой точке направлена ​​в сторону чистого поля в этой точке.

  Понятие и определение

  Определение: Линия электрического поля представляет собой воображаемую линию или кривую, проведенную над областью пустого пространства так, что ее касательная в каждой точке указывает в направлении вектора электрического поля в этой позиции.

  Относительное расстояние между линиями указывает на напряженность электрического поля в этой точке. Итак,

  • Величина поля определяется плотностью линий. Это означает, что напряженность электрического поля из-за заряженного тела больше в области, где плотность силовых линий высока. В области, где плотность этих линий мала, электрическое поле имеет меньшую напряженность.
  • Величина велика вблизи центра, где силовые линии электрического поля расположены близко друг к другу, и становится слабее по мере того, как они удаляются дальше наружу, где они относительно друг от друга или имеют меньшую плотность.
  • Линию поля или электрическую силовую линию можно рассматривать как путь, по которому двигался бы небольшой положительный пробный заряд, если бы мы позволили ему свободно двигаться по пути.

  Правила рисования линий электрического поля Узоры

  1. Линия поля начинается с положительного заряда и заканчивается либо с отрицательным зарядом, либо на бесконечности. Таким образом, мы можем нарисовать векторы электрического поля в каждой точке пространства вокруг заряда и соединить их, чтобы сформировать линии.
  2. Следует отметить, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой заданной точке. (физикаклассрум.com)
  3. Когда поле сильнее, линии поля ближе друг к другу.
  4. Количество силовых линий зависит от величины электрического заряда.
  5. Линии поля никогда не должны пересекаться.
  
  

  Линии поля из-за некоторых конфигураций заряда

  Для положительного заряда

  • Линии поля одного положительного заряда направлены радиально наружу

  Для отрицательного заряда

  • Для отрицательного заряда они радиально внутрь, как показано ниже на рисунке

  Эти два рисунка, приведенные выше, показывают, как рисовать линии поля для одного заряда (+ive и -ive)

  Линии электрического поля для конфигураций двух или более зарядов заряды дают иную картину и описывают взаимное отталкивание между собой.

  

• Линии поля вокруг системы положительного и отрицательного заряда ясно показывают взаимное притяжение между ними, как показано ниже на рисунке.

Свойства линий электрического поля

Некоторые важные общие свойства линий поля:

1. Линии поля начинаются с положительного заряда и заканчиваются с отрицательным зарядом.
2. Они направлены от положительного электрического заряда к отрицательному электрическому заряду. Таким образом, в любой точке, касательной к силовым линиям, определяется направление электрического поля в этой точке.
3. Эти линии покидают или входят в заряженную поверхность нормально.
4. Линии поля никогда не пересекаются, потому что если они это сделают, то в точке пересечения будет два направления электрического поля.
5. Линии электрического поля не проходят через проводник, это показывает, что электрическое поле внутри проводника всегда равно нулю.
6. Линии электрического поля представляют собой непрерывные кривые в свободной от заряда области.
7. Силовые линии электрического поля имеют тенденцию сокращаться по длине. Это объясняет существование электрической силы притяжения между двумя противоположно заряженными объектами.
8. Электрические силовые линии имеют тенденцию расширяться в стороны, т. е. они имеют тенденцию отделяться друг от друга в направлении, перпендикулярном их длине. Это объясняет электрическую силу отталкивания между одноименными зарядами.

Вопросы

Что представляет линия электрического поля?

Когда линии электрического поля параллельны друг другу?

Где начинаются и заканчиваются силовые линии электрического поля?

Другие полезные ссылки

• Заряды и поля — Электрическое поле | Электростатика | Эквипотенциал — Интерактивное моделирование PhET (colorado.edu)
• Электрические заряды и поля Класс 12 MCQ

сделайте ссылку на эту страницу, скопировав следующий текст