Параметры электрического поля и его характеристики: напряженность, потенциал, силовые линии

Что такое электрическое поле и какими параметрами оно характеризуется. Как определяется напряженность электрического поля. Что представляют собой силовые линии электрического поля. Как рассчитывается потенциал электрического поля.

Понятие электрического поля и его основные характеристики

Электрическое поле — это особая форма материи, которая создается вокруг электрических зарядов и оказывает силовое воздействие на другие заряженные тела. Электрическое поле является носителем взаимодействия между зарядами.

Основными характеристиками электрического поля являются:

• Напряженность электрического поля
• Потенциал электрического поля
• Силовые линии электрического поля

Рассмотрим подробнее каждую из этих характеристик.

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля — это силовая характеристика, которая определяет интенсивность электрического поля в данной точке пространства.

Напряженность электрического поля численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

E = F / q

где E — напряженность электрического поля, F — сила, действующая на заряд, q — величина заряда.

Единица измерения напряженности электрического поля — вольт на метр (В/м).

Формула для расчета напряженности поля точечного заряда

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, определяется по формуле:

E = kQ / r^2

где k — коэффициент пропорциональности, равный 9 * 10^9 Н*м^2/Кл^2.

Силовые линии электрического поля

Силовые линии электрического поля — это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности электрического поля. Силовые линии позволяют наглядно изобразить структуру электрического поля.

Основные свойства силовых линий электрического поля:

• Начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
• Никогда не пересекаются
• Густота силовых линий характеризует величину напряженности поля

Силовые линии поля точечного заряда

Для точечного положительного заряда силовые линии расходятся радиально от заряда. Для отрицательного заряда силовые линии направлены к заряду.

Потенциал электрического поля

Потенциал электрического поля — это энергетическая характеристика поля, равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке поля к величине этого заряда:

φ = W / q

где φ — потенциал, W — потенциальная энергия заряда, q — величина заряда.

Единица измерения потенциала — вольт (В).

Формула для расчета потенциала поля точечного заряда

Потенциал электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, определяется по формуле:

φ = kQ / r

где k — коэффициент пропорциональности, равный 9 * 10^9 Н*м^2/Кл^2.

Связь между напряженностью и потенциалом электрического поля

Напряженность электрического поля связана с потенциалом следующим соотношением:

E = -grad φ

То есть напряженность электрического поля равна взятому со знаком минус градиенту потенциала.

Это означает, что вектор напряженности электрического поля всегда направлен в сторону уменьшения потенциала.

Принцип суперпозиции электрических полей

Согласно принципу суперпозиции, напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов в отдельности:

E = E1 + E2 + … + En

Аналогично, потенциал электрического поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых каждым из зарядов:

φ = φ1 + φ2 + … + φn

Принцип суперпозиции позволяет рассчитывать характеристики сложных электрических полей, создаваемых системой зарядов.

Электрическое поле в веществе

При внесении вещества во внешнее электрическое поле происходит его поляризация — смещение связанных зарядов и ориентация полярных молекул. В результате поляризации создается внутреннее поле, которое ослабляет внешнее.

Напряженность результирующего поля в веществе определяется по формуле:

E = E0 / ε

где E0 — напряженность внешнего поля, ε — диэлектрическая проницаемость вещества.

Таким образом, напряженность поля в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

Применение знаний об электрическом поле

Понимание свойств и характеристик электрического поля имеет большое значение для многих областей науки и техники:

• Разработка электронных устройств
• Проектирование систем электроснабжения
• Создание средств защиты от электромагнитных полей
• Медицинская диагностика и терапия
• Исследования в области физики плазмы

Знание законов электростатики позволяет эффективно управлять электрическими полями и использовать их свойства в различных технологиях.

Характеристики электростатического поля. Напряженность.

Главная  > Справочник по образованию  > Энциклопедия де-факто  > Естественные науки  > Физика  > Электричество и магнетизм  > Электростатика  > Характеристики электростатического поля. Напряженность.

Как упоминалось в предыдущем разделе, вокруг всякого заряженного тела существует электрическое поле, которое является носителем взаимодействия зарядов. Если поле создано неподвижными зарядами, то оно называется электростатическим, т.е. его свойства в каждой точке пространства не зависят от времени. Чтобы сравнить поля, создаваемые разными зарядами, введем характеристику, называемую напряженностью E. Напряженность определяет степень взаимодействия зарядов и поэтому ее можно назвать силовой характеристикой поля.

Исследовать поля, создаваемые разными зарядами, можно с помощью пробных (единичных) зарядов.
Напряженностью электрического поля в данной точке пространства называется величина, равная отношению силы F, действующей на единичный положительный заряд q, помещенный в данную точку, к величине этого заряда.
E = F/q.
(E = F при q = 1).

Для взаимодействия точечных зарядов справедлив закон Кулона. Следовательно,
 E = F/q = Q/(4pee0r2)*r/r,

где Q — заряд, создающий поле,
e — диэлектрическая проницаемость среды.

Пробным зарядом называется тело, величина заряда которого настолько мала, что не искажает свойства исследуемого поля. Его величина равняется минимальному заряду, обнаруженному в природе, q = 1.6*10-19 Кл.
Единицы измерения напряженности с системе СИ [E]: 1 В/м = 1 Дж/(м*Кл) = 1 Н/м.

Поскольку сила и напряженность поля — есть пропорциональные величины F = q*E, то для напряженности электрических полей справедлив принцип суперпозиции.

E = E1 + E2 + E3 + Ei + … + En,

т.е. напряженность поля системы n зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов системы в рассматриваемой точке.
Принцип суперпозиции отражает независимость действия электростатических полей.
Графическое изображение электростатических полей.

Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности электростатического поля в этой точке (см. рис. 2.). Такие линии получили название линий напряженности или силовых линий.
Линии напряженности начинаются у положительных зарядов (или в бесконечности) и оканчиваются у отрицательных зарядов. По густоте силовых линий можно судить о величине напряженности.

Отметим, что напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме из-за явления поляризации и, следовательно, густота силовых линий в диэлектрике меньше. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности в данной среде называют диэлектрической проницаемостью вещества.
e = Eвак./E.

Напряженность электростатического поля в металле равняется нулю, так как поле свободных зарядов, существующих в нем, через достаточно короткий промежуток времени уравновесит внешнее поле и ток в металле будет равен нулю. Поэтому силовые линии в металл не проникают.

Другие записи

10.06.2016. Характеристики электростатического поля. Потенциал.

На любой заряд, находящийся в электростатическом поле действует сила. Следовательно, при движении этого заряда в поле совершается работа.Причем, для электростатических полей работа по перемещению заряда…

10.06.2016. Понятие об электростатическом поле. Закон Кулона

Взаимодействие между электрически заряженными частицами или телами, движущимися произвольным образом относительно инерционной системы отсчета (ИС), осуществляется посредством электромагнитного поля, которое…

определение, основные понятия и примеры решений

Содержание:

• Электрическая напряженность
• Напряженность электрического поля
• Понятие о диполях

Теория электрического поля, разработанная Фарадеем и Максвеллом в 19 веке, определяет характер взаимодействие электрических зарядов.

Согласно исследованиям каждый из них генерирует рядом поле. Оно влияет на любые другие электрозаряды, оказывая на них силовое воздействие.

Для переноса действия электрическому полю не требуется какая-либо особая среда. Эксперименты показывают, что его действие проявляется как в веществе, так и в вакууме. Само поле является формой существования материи альтернативной веществу.

Изучение характеристик электрополя проводится с помощью элементарного заряда. Элементарный заряд — объект, который выявляет действие поля, но сам при это влияния на поле не оказывает. Если рассматривать вопрос с более реалистичных позиций, то влияние элементарного заряда оказывает действие, но оно настолько незначительное, что его влиянием можно пренебречь без ущерба для точности расчётов и верности определения параметров электрического поля.

Электрическая напряженность

Определение 1

Для количественного определения влияния поля на элементарный заряд, вводится понятие о напряженности электростатического поля. Это величина прямо пропорциональная действующей на элементарный заряд силе и обратно пропорциональная величине самого заряда.

А значит количественно она вычисляется:

$ \overrightarrow {Е} = \frac {\overrightarrow {F} } {q} $

Напряжённость электрополя является величиной векторной. Её действие имеет то же направление, что и сила, вызываемая полем при воздействии на элементарный плюсовой заряд.

Напряженность электрического поля

Определение 2

Электрическое поле, продуцируемое неизменными во времени и не двигающимися в пространстве зарядами, именуется электростатическим.

Электрическое поле формируется около не двигающегося и постоянного по величине заряда. Теперь оно может оказывать влияние на любые другие электрические заряды попадающие в его зону действия. Если имеется несколько заряженных объектов, то результирующее поле проявится как результат слияния нескольких полей. Итоговое силовое воздействие — совокупность влияния отдельных зарядов, являющееся суммой сил, действующих со стороны каждого отдельного поля. 2} $.

Формула является прямым следствием закона Кулона, а само поле носит название кулоновское.

Чтобы понимать куда направлен вектора напряжённости электростатического поля, достаточно знать знак заряда. Если Q>0, то направление — в сторону противоположную от заряда. Когда Q<0, то направление — к заряду.

Графическое представление электрополя — это набор силовых линий, каждая из них начинается у объекта заряженного положительно и оканчивается, либо уходя в пустоту, либо заканчиваясь около отрицательно заряженного объекта. Силовые линии позволяют определить направление вектора напряженности. Он является касательной к силовой линии в заданной точке. Количество же силовых линий характеризует величину напряженности. В местах где линий больше, больше будет и напряженность электростатического поля.

Электростатическое поле любого объекта может быть представлено в виде совокупности элементарных зарядов. Так, используя затем принцип суперпозиции, можно вычислять параметры полей любых форм и размеров. 3} \overrightarrow {r} $.

При этом величина r соответствует модулю векторной величины $ \overrightarrow {r} $. С помощью приведенного определения можно без особого труда рассчитать напряженность в любой точке.

Даже в простых задачах по электростатике расчёты могут получаться слишком громоздкими. Чтобы упростить вычисления, применяется теорем Гаусса. Она однозначно определяет зависимость напряжённости от сложения электрических зарядов, продуцирующих поле в рассматриваемой области.

Понятие о диполях

Определение 5

В электростатике название диполь присвоено системе состоящей из положительного и отрицательно заряженных элементов, разнесённых на определённое расстояние друг от друга. Также понятие «диполь» часто применяется в химии при изучении отдельного типа молекул.

Диполь при изучении электрических полей является хорошим примером применения принципа суперпозиции. С помощью принципа несложно рассчитать напряженность поля в любой заданной точке.

$ \overrightarrow{Е} = \overrightarrow{Е_1} + \overrightarrow{Е_2} $

Важный параметр диполя — его момент $\overrightarrow{p}$. Он вычисляется как:

$ \overrightarrow{p} = \overrightarrow{l} q$,

В формуле использованы следующие параметры:

q — заряд;

$\overrightarrow{l}$ – перемещение, векторная величина, направление которой: к положительному заряду от отрицательного, по модулю вектор перемещения соответствует расстоянию между зарядами.

При изучении химических элементов часто встречаются молекулы, представляющие собой диполь. Одной из типичных элементов такого рода является молекула воды $H_2 O$. При этом атомы водорода и атом кислорода расположены не на одной прямой, а составялют треугольник, в котором угол между направлениями от кислорода к водороду (одному и другому) составляет угол $105_o$.

Расчётный дипольный момент $H_2 O$ составляет $p = 6 , 2\dot 10_{ – 30}   Кл\dot м$.

236

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Оптимизация параметров электрического поля для контроля ремоделирования кости: использование местного механизма для предотвращения остеопении

Обзор

. 1993, декабрь; 8, приложение 2: S573-81.

doi: 10.1002/jbmr.5650081327.

КТ Рубин ¹ , Х. Дж. Донахью, Дж. Э. Рубин, К. Дж. Маклеод

принадлежность

• ¹ Отделение ортопедии, Университет штата Нью-Йорк, Стоуни-Брук.

• PMID: 8122529
• DOI: 10.1002/jbmr.5650081327

Обзор

C T Rubin et al. Джей Боун Шахтер Рез. 1993 декабря

. 1993, декабрь; 8, приложение 2: S573-81.

doi: 10.1002/jbmr.5650081327.

Авторы

КТ Рубин ¹ , Х. Дж. Донахью, Дж. Э. Рубин, К. Дж. Маклеод

принадлежность

• ¹ Отделение ортопедии, Университет штата Нью-Йорк, Стоуни-Брук.

• PMID: 8122529
• DOI: 10.1002/jbmr.5650081327

Абстрактный

Открытие пьезоэлектрических потенциалов в нагруженной кости сыграло важную роль в разработке правдоподобного механизма, с помощью которого функциональная активность может естественным образом влиять на клеточное окружение ткани и, таким образом, влиять на массу и морфологию скелета. Используя модель остеопении in vivo, мы продемонстрировали, что резорбция кости, которая обычно происходит параллельно с ее неиспользованием, может быть предотвращена или даже обращена вспять экзогенной индукцией электрических полей. Важно отметить, что способ ответа (т. е. образование, оборот, резорбция) чрезвычайно чувствителен к тонким изменениям параметров электрического поля. Полей ниже 10 мкВ/см при частоте от 50 до 150 Гц в течение 1 часа в день было достаточно для поддержания костной массы даже при отсутствии функции. Снижение частоты до 15 Гц сделало поле чрезвычайно остеогенным. Действительно, это частотно-специфическое синусоидальное поле инициировало большее образование новой кости, чем более сложное импульсное электромагнитное поле (PEMF), хотя индуцировало только 0,1% электрической энергии PEMF. Частоты и напряженность поля, наиболее эффективные для экзогенной стимуляции образования кости, аналогичны тем, которые возникают при нормальной функциональной активности. Это подтверждает гипотезу о том, что эндогенные электрические поля служат критическим регуляторным фактором как в процессах моделирования, так и в процессах ремоделирования кости.

Определение параметров поля, наиболее эффективных для сохранения или повышения костной массы, ускорит развитие электричества как уникальной и специфичной для конкретного места профилактики остеопении. Поскольку поля этих частот и интенсивностей присущи костной ткани, это также предполагает, что такое экзогенное лечение может повысить количество и качество кости с минимальным риском или последствиями.

Похожие статьи

• Влияние низкочастотных электрических полей на остеогенез.

  Маклеод К.Дж., Рубин, Коннектикут. Маклеод К.Дж. и соавт. J Bone Joint Surg Am. 1992 июль; 74 (6): 920-9. J Bone Joint Surg Am. 1992. PMID: 1634583

• Влияние различной интенсивности импульсных электромагнитных полей крайне низкой частоты на формирование остеокластоподобных клеток.

  Чанг К., Чанг В.Х., Ву М.Л., Ши С. Чанг К. и др. Биоэлектромагнетизм. 2003 сен; 24 (6): 431-9. doi: 10.1002/bem.10118. Биоэлектромагнетизм. 2003. PMID: 12929162

• Влияние импульсной стимуляции электромагнитного поля на активность клеток остеобластов.

  Чанг В.Х., Чен Л.Т., Сунь Дж.С., Лин Ф.Х. Чанг У.Х. и др. Биоэлектромагнетизм. 2004 сен; 25 (6): 457-65. doi: 10.1002/bem.20016. Биоэлектромагнетизм. 2004. PMID: 15300732

• Механические и электрические взаимодействия при ремоделировании кости.

  Спадаро Дж.А. Спадаро Дж.А. Биоэлектромагнетизм. 1997;18(3):193-202. Биоэлектромагнетизм. 1997. PMID: 9096837 Обзор.

• Скелет при первичном гиперпаратиреозе: обзор, посвященный ремоделированию костей, структуре, массе и переломам.

  Кристиансен П. Кристиансен П. Дополнение АПМИС. 2001;(102):1-52. Дополнение АПМИС. 2001. PMID: 11419022 Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Импульсное электромагнитное поле с высокой скоростью нарастания усиливает консолидацию костей и сокращает продолжительность ежедневного лечения при дистракционном остеогенезе.

  Ли И, Ян И, Ван М, Чжан С, Бай С, Лу С, Ли И, Вальдорф Э.И., Чжан Н, Ли Вай, Ли Г. Ли Ю и др. Кость Сустав Res. 2021 дек;10(12):767-779. doi: 10.1302/2046-3758.1012.BJR-2021-0274.R1. Кость Сустав Res. 2021. PMID: 34872332 Бесплатная статья ЧВК.

• Модуляция остеогенеза: индукция роста нижнечелюстной кости у взрослых электрическим полем в эстетических целях.

  Зендехас Г.Х., Добке М.К., Фелпс А., Планас Г., Санчес М. Zendejas GH и соавт. Эстетик Пласт Хирург. 2022 фев; 46 (1): 197-206. doi: 10.1007/s00266-021-02600-0. Epub 2021 7 октября. Эстетик Пласт Хирург. 2022. PMID: 34622330 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Создание и оценка системы биофизической стимуляции остеобластов человека in vitro.

  Стефан М., Циммерманн Дж., Клиндер А., Сам Ф., ван Ринен У., Каммерер П.В., Бадер Р., Йониц-Хайнке А. Стефан М. и др. Клетки. 2020 30 августа; 9 (9): 1995. doi: 10.3390/cells9091995. Клетки. 2020. PMID: 32872592 Бесплатная статья ЧВК.

• Кратковременное воздействие крайне низкочастотного магнитного поля (ELF MF) увеличивает экспрессию белка, но не мРНК щелочной фосфатазы в клетках остеосаркомы человека.

  Rescigno T, Capasso A, Bisceglia B, Tecce MF. Решиньо Т. и соавт. Open Biochem J. 17 апреля 2018 г.; 12:65-77. дои: 10.2174/1874091X01812010065. Электронная коллекция 2018. Открытый Биохим Дж. 2018. PMID: 29760814 Бесплатная статья ЧВК.

• Влияние электромагнитных полей на остеоартритные и неостеоартритные хондроциты человека.

  Редекер Д.И., Шмитт Б., Григулл Н.П., Браун С., Бюттнер А., Янссон В., Майер-Вагнер С. Редекер Дж.И. и др. BMC Комплемент Altern Med. 2017 14 августа; 17 (1): 402. doi: 10.1186/s12906-017-1868-z. BMC Комплемент Altern Med. 2017. PMID: 28806939 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Типы публикаций

термины MeSH

Грантовая поддержка

• AR39278/AR/NIAMS NIH HHS/США
• AR41040/AR/NIAMS NIH HHS/США

Статистический анализ параметров электрического поля отрицательной молнии в Малайзии

• Вуи, Чин-Леонг
;
• Абдул-Малек, Зулкурнайн
;
• Ахмад, Нур-Азлинда
;
• Эль Гаяр, Али И.

Аннотация

В данной статье представлено сравнительное исследование электрического поля и его производных параметров отрицательной молнии в Малайзии и других регионах. Это исследование является первым в Малайзии, где тщательно анализируются параметры отрицательного электрического поля и его производной. Проанализировано 104 отрицательных вспышки молнии, содержащих 277 отрицательных обратных ударов, произошедших в пределах 10-100 км от измерительной станции и зарегистрированных в сезон дождей в штате Джохор, Малайзия. Выяснилось, что 73% зарегистрированных вспышек являются множественными ударами со средней множественностью 2,6 ударов за вспышку. Для первых возвратных ударов среднее арифметическое (AM) начального пикового электрического поля и AM начального пикового производного электрического поля составляют 21,8 В/м и 11,3 В/м/мкс соответственно. Начальные пики электрического поля и его производной для первых возвратных ударов больше, чем для последующих возвратных ударов. Сравнение общих результатов с результатами, полученными ранее в Шри-Ланке, Германии, Швеции, Японии, Флориде, показывает, что некоторые параметры электрического поля и его производных параметров зависят от среды распространения и географического региона. Также наблюдается схожесть результатов с другими странами, имеющими такие же климатические условия.

Публикация:

Журнал атмосферной и солнечно-земной физики

Дата публикации:

Август 2016

DOI:

10.1016/j.jastp.2016.05.007

Биб-код:

2016JASTP.