Что такое постоянное электрическое поле. Каковы его основные характеристики. Как создается постоянное электрическое поле. Где применяется постоянное электрическое поле. Чем отличается от переменного электрического поля.
Что такое постоянное электрическое поле
Постоянное электрическое поле — это электрическое поле, характеристики которого не изменяются с течением времени. Его основными свойствами являются:
- Неизменность напряженности и направления силовых линий во времени
- Создается неподвижными или равномерно движущимися электрическими зарядами
- Описывается законами электростатики
- Работа по перемещению заряда в таком поле не зависит от траектории
Главное отличие постоянного электрического поля от переменного заключается в том, что его характеристики остаются постоянными во времени.
Основные характеристики постоянного электрического поля
Ключевыми характеристиками постоянного электрического поля являются:
Напряженность электрического поля
Напряженность — это силовая характеристика электрического поля. Она определяется как отношение силы, действующей на пробный заряд, к величине этого заряда:
E = F / q
где E — напряженность поля, F — сила, действующая на заряд q.
Единица измерения напряженности — вольт на метр (В/м).
Потенциал электрического поля
Потенциал характеризует энергию электрического поля. Он определяется как отношение потенциальной энергии заряда в данной точке поля к величине этого заряда:
φ = W / q
где φ — потенциал, W — потенциальная энергия заряда q.
Единица измерения потенциала — вольт (В).
Силовые линии
Силовые линии наглядно показывают структуру электрического поля. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий характеризует напряженность поля.
Как создается постоянное электрическое поле
Постоянное электрическое поле может быть создано различными способами:
- Неподвижными точечными зарядами
- Заряженными проводниками
- Заряженными диэлектриками
- Постоянным током в проводниках
Рассмотрим подробнее некоторые способы создания постоянного электрического поля:
Поле точечного заряда
Напряженность поля точечного заряда определяется законом Кулона:
E = k * q / r^2
где k — коэффициент пропорциональности, q — величина заряда, r — расстояние от заряда до точки наблюдения.
Поле заряженного проводника
Внутри проводника в электростатическом равновесии поле отсутствует. На поверхности проводника напряженность поля направлена по нормали к поверхности.
Поле плоского конденсатора
Между обкладками плоского конденсатора создается однородное электрическое поле с напряженностью:
E = U / d
где U — напряжение между обкладками, d — расстояние между ними.
Применение постоянного электрического поля
Постоянное электрическое поле находит широкое применение в науке и технике:
- Электростатические генераторы
- Электронно-лучевые трубки
- Ускорители заряженных частиц
- Электрофильтры
- Копировальные аппараты
- Электростатическая окраска
Рассмотрим некоторые примеры применения постоянного электрического поля:
Электронно-лучевые трубки
В электронно-лучевых трубках постоянное электрическое поле используется для ускорения и фокусировки электронного пучка. Это позволяет формировать изображение на экране осциллографа или телевизора.
Ускорители заряженных частиц
В линейных ускорителях постоянное электрическое поле разгоняет заряженные частицы до высоких энергий. Это необходимо для проведения экспериментов в физике высоких энергий.
Электрофильтры
В электрофильтрах постоянное электрическое поле используется для очистки газов от твердых или жидких частиц. Частицы заряжаются и притягиваются к электродам, очищая тем самым газ.
Отличия постоянного электрического поля от переменного
Основные отличия постоянного электрического поля от переменного:
- Характеристики постоянного поля не меняются во времени, в отличие от переменного
- Постоянное поле не создает магнитного поля, в отличие от переменного
- В постоянном поле не возникают вихревые токи
- Постоянное поле не излучает электромагнитные волны
Рассмотрим подробнее некоторые отличия:
Изменение во времени
Напряженность и направление постоянного электрического поля неизменны во времени. У переменного поля эти характеристики периодически меняются.
Создание магнитного поля
Постоянное электрическое поле не создает магнитного поля. Переменное электрическое поле всегда сопровождается переменным магнитным полем.
Излучение электромагнитных волн
Постоянное электрическое поле не излучает электромагнитные волны. Переменное электромагнитное поле является источником электромагнитного излучения.
Энергия постоянного электрического поля
Энергия постоянного электрического поля характеризует способность поля совершать работу. Она определяется следующим образом:
- Для точечного заряда: W = kq^2 / (2r)
- Для заряженного проводника: W = qφ / 2
- Для конденсатора: W = CU^2 / 2
где k — коэффициент пропорциональности, q — заряд, r — расстояние, φ — потенциал, C — емкость, U — напряжение.
Плотность энергии электрического поля
Плотность энергии электрического поля — это энергия, содержащаяся в единице объема пространства. Она определяется формулой:
w = εε0E^2 / 2
где ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε0 — электрическая постоянная, E — напряженность поля.
Методы измерения характеристик постоянного электрического поля
Существуют различные методы измерения характеристик постоянного электрического поля:
- Метод пробного заряда
- Электрометрический метод
- Метод электростатического вольтметра
- Метод электростатического флюксметра
Рассмотрим некоторые из этих методов подробнее:
Метод пробного заряда
В этом методе в исследуемое поле помещают небольшой заряженный шарик и измеряют действующую на него силу. По известной силе и заряду шарика определяют напряженность поля.
Электрометрический метод
В этом методе используется электрометр — прибор для измерения малых электрических зарядов и напряжений. Электрометр позволяет измерить потенциал в различных точках поля.
Метод электростатического вольтметра
Электростатический вольтметр измеряет разность потенциалов между двумя точками поля. Принцип его работы основан на взаимодействии заряженных пластин.
Влияние постоянного электрического поля на вещество
Постоянное электрическое поле оказывает различное влияние на вещества в зависимости от их свойств:
- В проводниках происходит перераспределение свободных зарядов
- В диэлектриках происходит поляризация молекул
- В полупроводниках может происходить изменение концентрации носителей заряда
Рассмотрим подробнее влияние поля на различные типы веществ:
Влияние на проводники
В проводниках под действием внешнего электрического поля происходит перераспределение свободных зарядов. В результате внутри проводника поле становится равным нулю, а на поверхности образуется поверхностный заряд.
Влияние на диэлектрики
В диэлектриках внешнее электрическое поле вызывает смещение связанных зарядов — происходит поляризация молекул. В результате поляризации внутри диэлектрика возникает внутреннее поле, направленное противоположно внешнему.
Влияние на полупроводники
В полупроводниках под действием сильного электрического поля может происходить генерация носителей заряда. Это явление называется эффектом сильного поля и используется в некоторых полупроводниковых приборах.
Постоянное электрическое поле (электростатическое поле) | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко
Загрузка…
Постоянное (не изменяющееся во времени) электрическое поле создается распределением неподвижных зарядов. Силовые линии начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах.
Существование поля проявляется в том, что на заряженные частицы действует сила, которая может быть измерена. Работа, совершаемая этой силой при перемещении заряда из одной точки пространства в другую, зависит только от расположения этих точек и не зависит от пути перемещения.
Если распределение зарядов и тока не меняется во времени, то создаваемое им электромагнитное поле также не будет меняться. Электрическое поле полностью описывается двумя первыми уравнениями Максвелла, которые приобретают вид:
1) ∮SE̅ × n̅ • dS = (1 / ε0) • Σiqi,
2) ∮SE̅ × dl̅ = 0.
Силовые линии поля позволяют судить не только о направлении вектора напряженности в каждой точке пространства, но и о величине напряженности.
| Трубка, образованная силовыми линиями поля |
Рассмотрим тонкую трубку в пустоте, боковая поверхность которой образована силовыми линиями. Два сечения этой трубки и поверхность трубки между ними образуют замкнутую поверхность, к которой применимо первое уравнение. При условии, что внутри поверхности нет зарядов, получим из первого уравнения Максвелла:
Загрузка…
∮SE̅ × n̅ • dS = E̅1 × n̅1S1 + E̅2 × n̅2S2 = E2S2 –E1S1 = 0.
Произведение модуля напряженности поля в некоторой точке внутри трубки, образованной силовыми линиями в пустоте, на площадь сечения трубки в этой точке не меняется вдоль трубки.
Если трубка расширяется, величина
Если в некоторой ограниченной области пространства заключен положительный заряд, то силовые линии поля выходят из этой области и, если никаких других зарядов больше нет, уходят на бесконечность. Причем на достаточно большом расстоянии от заряда силовые линии будут ортогональны сферическим поверхностям, в центре которых находится заряд. Если в другой области присутствует отрицательный заряд такой же величины, то все линии, вышедшие из первой области, войдут в замкнутую поверхность, внутри которой находится отрицательный заряд. Если знаки зарядов поменять, картина силовых линий останется прежней, но их направление изменится.
Материал с сайта http://WorldOfSchool.ru
Постоянное электрическое поле
1. Электрический заряд
1.1.
Электрический заряд — характеристика
частиц, определяющая интенсивность их
электромагнитного взаимодействия.
1.2. Два вида зарядов
Существует два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными.
1.3. Взаимодействие зарядов разных знаков
Заряды разных знаков притягиваются друг к другу, | ||
заряды одного знака отталкиваются. | ||
1.4. Элементарные частицы — носители заряда
Носителями
заряда являются элементарные частицы,
заряд элементарных частиц, если они
заряжены, одинаков по абсолютной величине
e = 1.6·10
1.5. Электрон имеет отрицательный заряд (-е), протон
— положительный (+е), заряд
нейтрона равен нулю.
Из этих частиц построены атомы любого
вещества. Суммарный
заряд атома равен нулю.
1.6. Закон сохранения заряда утверждает:
В электрически изолированной системе суммарный заряд не может изменяться.
1.7. Релятивистская инвариантность заряда означает, что его величина, измеренная в различных инерциальных системах отсчета, оказывается одинаковой. Или: величина заряда не зависит от скорости, с которой он движется.
2. Взаимодействие точечных зарядов
2.1. Точечный заряд — заряженное тело, размерами которого можно пренебречь.
2.2. Закон Кулона
2.4.
Принцип суперпозиции утверждает,
что сила взаимодействия двух зарядов
не изменится, если к ним добавить еще
какие либо заряды. Для зарядов на рисунке
это значит, что и не
зависят от присутствия заряда q3, и не
зависят от присутствия заряда q2,
аналогично — и не
завися от заряда q1.
Значит, результирующую силу, действующую на любой заряд, можно найти как векторную сумму сил попарного взаимодействия зарядов. Для заряда q1 результирующая сила , аналогично и для остальных зарядов: |
3.1. Заряд — источник поля. Всякий покоящийся заряд создает в пространстве вокруг себя только электростатическое поле. Движущийся — еще и магнитное.
3.2. Заряд — индикатор поля. О наличии электрического поля судят по силе, действующей на неподвижный положительный точечный заряд, помещенный в это поле (пробный заряд).
3.3. Напряженность — силовая характеристика электрического поля. Если на неподвижный точечный заряд qпр. действует сила, то значит, в точке нахождения этого заряда существует электрическое поле, напряженность которого определяется так:
| . |
3.4. Единица напряженности в системе СИ имеет название вольт на метр (В/м), при такой напряженности на заряд в 1 Кл действует сила в 1 Н.
3.5. Знаем напряженность — найдем силу Если в каждой точке пространства нам известна напряженность электрического поля , то мы можем найти силу, действующую на точечный заряд, помещенный в точку r
.
Когда электрическое поле постоянно? 7 фактов, которые вы должны знать — Lambda Geeks
О любой физической сущности говорят, что она постоянна только в том случае, если с течением времени не происходит никаких изменений. Давайте обсудим ситуацию с постоянным электрическим полем.
Электрическое поле постоянно, когда частная производная силы поля на единицу заряда по времени равна нулю. Под постоянным электрическим полем понимается электрическое поле, не являющееся быстропеременным и свободно перемещающееся в данной области. Напряжённость электрического поля будет одинакова во всей области.
Электрическое поле связано с расстоянием между зарядами. Если расстояние между двумя зарядами не меняется со временем, то поле, создаваемое зарядами, будет постоянным. Давайте приведем еще несколько интересных фактов о постоянном электрическом поле в этом посте.
Насколько постоянно электрическое поле?Электрическое поле зависит от силы, действующей на заряды. Теперь давайте сосредоточимся на том, как электрическое поле будет постоянным.
Электрическое поле постоянно благодаря стационарным зарядам. Когда заряды находятся в стационарном состоянии, они приобретают потенциальную энергию. Таким образом, для создания электрического поля необходимо приложить некоторую силу к единичному заряду. Если сила, приложенная к единице заряда, постоянна, электрическое поле будет постоянным.
Понятие постоянного электрического поля также связано с разностью потенциалов, возникающей из-за электрического поля. Если электрический потенциал изменяется равномерно, наклон электрического потенциала будет постоянным, что дает постоянное электрическое поле.
В проводе электрическое поле постоянно, потому что поток электронов по длине провода постоянен.
Электрическое поле связано с распределением заряда в области и скоростью дрейфа. Поясним, всегда ли электрическое поле постоянно или нет.
Электрическое поле не всегда постоянно, оно изменяется соответственно распределению заряда и скорости дрейфа. Скорость дрейфа изменяется вместе с потоком зарядов. Как правило, электрическое поле не является непрерывным из-за неравномерного распределения заряда.
Электрический потенциал также вносит свой вклад в постоянное электрическое поле. Иногда электрическое поле на проводе становится постоянным из-за его постоянной длины, так что электрическое поле на проводе становится равным нулю, потому что для протекания заряда по ним не требуется силы.
Постоянно ли электрическое поле в цепи? Электрическое поле представлено потоком тока в цепи.
Проверим, постоянно ли электрическое поле в цепи.
Если в цепи протекает постоянный ток, электрическое поле будет постоянным. Цепь состоит из проводов, по которым проходит ток, так что провода могут переносить конечную величину тока из-за своей длины и площади поперечного сечения. Это заставляет эту цепь создавать постоянное электрическое поле.
Электрическое поле в цепи не всегда постоянно, даже если через них протекает постоянный ток. Некоторые физические условия, такие как температура и давление, влияют на электрическое поле цепи.
Почему электрическое поле внутри проводника постоянно?Проводник состоит из большого количества свободных электронов и является каналом для протекания тока. Найдем причину постоянного электрического поля в проводнике.
Электрическое поле внутри проводника всегда равно нулю и не постоянно, потому что заряды могут находиться только на поверхности проводника. Внутри нет заряда для создания электрического поля.
Разность потенциалов между двумя точками внутри проводника также равна нулю.
Изображение предоставлено: Wikimedia commons
Если внутри проводника присутствует постоянное электрическое поле, то электроны дрейфуют в противоположном направлении с постоянной скоростью. Чтобы избежать такого отталкивающего поведения, внутри проводника нет заряда, и внутри проводника не будет генерироваться электрическое поле, но электрический потенциал внутри проводника постоянен.
Что такое устойчивое состояние в электрической цепи?Термин устойчивый относится к отсутствию изменений в физической системе. Давайте узнаем значение установившегося режима в электрической цепи.
Электрическая цепь находится в устойчивом состоянии, если в каждой точке цепи протекает постоянный ток. В практических электрических цепях установившееся состояние достигается только в течение короткого периода времени.
В устойчивом состоянии электрической цепи количество зарядов, втекающих в цепь, равно количеству зарядов, вытекающих из цепи. Это означает, что в конечном итоге установившееся состояние электрической цепи подчиняется правилу тока Кирхгофа.
Решенная задача Небольшой заряд в 6 мКл стремится создать постоянное электрическое поле, когда на него действует сила 15×10 -5 Н. Рассчитайте величину постоянного электрического поля, создаваемого зарядом.Решение:
Дан –заряд q=6мКл= 6×10 -3 Кл
Сила, действующая на заряд F=15×10 -5 Н
формула F=qE
Где E – электрическое поле.
Преобразовав уравнение
Подставив значения, мы получим
E=0,025N/C
Заключение Заканчиваем этот пост утверждением, что электрическое поле является векторной величиной, связанной с электрическим свойством обвинения.
Постоянство электрического поля зависит от разности потенциалов и производной по времени силы, приходящейся на единицу заряда.
электромагнетизм — Почему ток в цепи постоянный, если есть постоянное электрическое поле?
разность потенциалов, создаваемая батареей, заставляет носители заряда течь из-за электрической силы, которую можно представить, имея электрическое поле повсюду в цепи.
Разность потенциалов, создаваемая батареей, вызывает протекание носителей заряда только в том случае, если к клеммам батареи подключена нагрузка. Если нагрузка не подключена, между клеммами батареи есть разность потенциалов, но нет потока носителей заряда.
Тогда мой вопрос таков: если носители заряда в цепи движущейся электрической силой, то как ток может быть постоянным ценность? Я предполагаю, что ток является мерой того, сколько заряда пересекает площадь поперечного сечения перпендикулярно направлению потока, за раз; кроме того, не должны ли компоненты скорости заряда носителей в направлении потока, которое пропорционально току, увеличиваются из-за электрической силы, которая побуждает их в этом направление?
Сила электрического поля вызывает движение кинетической энергии носителей заряда, но столкновения между носителями заряда и атомами/молекулами электрического сопротивления в цепи забирают эту кинетическую энергию и рассеивают ее в виде тепла.
Это непрерывный процесс электрического поля, дающего зарядам кинетическую энергию, и столкновений, забирающих кинетическую энергию, который поддерживает скорость носителей заряда (то есть дрейфовую скорость) и, следовательно, постоянный ток. Конечным результатом является то, что электрическая потенциальная энергия, передаваемая носителям заряда батареей, преобразуется либо в тепло в сопротивлении, либо сохраняется в виде потенциальной энергии в электрических полях емкости или кинетической энергии в магнитных полях индуктивности.
Размышляя над этим вопросом, я пришел к возможному объяснению связанный с законом Ома — мой учебник сравнивает сопротивление с фрикционным сила, вызванная накоплением столкновений, претерпеваемых зарядом носитель (что приводит к изменению скорости против направления потока).
И это действительно хорошая механическая аналогия. Допустим, вы толкаете коробку с постоянной скоростью по полу с трением на расстояние d. Сила, которую вы прикладываете, аналогична силе электрического поля.
Коробка аналогична зарядке. А трение о пол аналогично электрическому сопротивлению. Ящик, движущийся с постоянной скоростью, аналогичен постоянному току. Работа, которую вы делаете (Fxd), деленная на массу m, аналогична падению напряжения (работа на единицу заряда).
Продолжая, я бы предположил, что при заданном напряжении и данных сопротивление, ток изменяется так, что оба оказывают одинаковое эффективное силы на носителях заряда — это означает, что резистор будет быть в состоянии применить только определенное количество полной силы (работы) в время, и, таким образом, плата за время должна быть изменена, чтобы гарантировать, что работа на зарядку эквивалентна напряжению (этот последний бит кажется наиболее для меня сомнительно).
Небольшие проблемы с отслеживанием вас. Но вы должны понимать, что разность потенциалов или напряжение между выводами резистора равна работе, необходимой на единицу заряда, или джоулей/кулонам, для перемещения заряда между выводами резистора.
Затем, поскольку ток в резисторе представляет собой заряд в единицу времени, кулон в секунду, проходящий через любую точку резистора, то мощность, рассеиваемая в резисторе в виде тепла, равна напряжению, умноженному на ток, или джоулям/кулонам x кулонам/ Секунда = Джоуль/сек = ватт.
Кроме того, когда вы сказали «разность потенциалов или напряжение между клеммы резистора равна требуемой работе, на единицу заряд… для перемещения заряда между выводами резистора» — уточнить — если эта работа за заряд является комбинацией обоих сопротивление и ток, а ток это заряд за раз, значит ли это сопротивление это работа за время?
Во-первых, то, что я сказал, является электротехническим определением разности потенциалов или напряжения. В вашем примере он представляет собой работу, требуемую батареей, на единицу заряда, для перемещения заряда через сопротивление.
Во-вторых, определение напряжения не зависит от тока. На клеммах батареи есть напряжение, когда она ни к чему не подключена, т.
