Характеристики электрического поля: 5.4. Электрическое поле и его характеристики

Основные параметры электрического поля

Электрическое поле – это пространство где проявляется действие электрических сил. Графически электрическое поле можно изобразить электрическими силовыми линиями.

Силовые линии электрического поля

Основная единица электрического заряда один кулон q – 1кл.

1кл = 6,3 × 1018 электронов.

Заряды, имеющие одноимённое значение отталкиваются, а разноименные притягиваются. В радиотехнике применяются поля ускоряющие и тормозящие.

Потенциалφ – это отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.

φ =

A

q

=

1Дж

1кл

= 1B

Основная единица потенциала ровна .

Разность потенциалов между двумя точками называется напряжение.

  • U – напряжение
  • φ1 – φ2 = U
  • U = 1в
  • 1в = 103мв = 106мкв
  • 1кв = 103в

Разность потенциалов бывает между одноимёнными зарядами и разноимёнными.

φ1 = 10ед

φ2 = 3ед

φ3 = –7ед

φ = 0
  • φ1 – φ 2 = +10 – (+3) = +7ед
  • φ2 – φ 1 = 3 – (+10) = –7ед
  • φ1 – φ 3 = 10 – (–7) = 17ед

На управляющей сетке U относительно катода имеет отрицательный знак, так как напряжение на сетке меньше, а 25в чем на катоде.

Напряженность электрического поля

 

 

 

Напряжённость – это отношение силы, с которой электрическое поле действует на заряд к величине этого заряда.

E =

F

q

  • Если E ровняется cons+ то поле называется однородное.
  • Если E ровно не cons+ то поле называется не однородное.

Закон Кулона – сила взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорционально произведению этих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой происходит взаимодействие.

F =

q1 × q2

ε × r2

  • F – сила взаимодействия (H)
  • q1 – q2
    – заряды (K)
  • r – расстояние (M)
  • ε – диэлектрическая проницаемость вещества

Электрическое поле: тела, характеристики, история

Содержание

  • 1 Взаимодействие заряженных тел
  • 2 Характеристики электрического поля
  • 3 Краткая история развития электрического поля
  • 4 Использование электрического поля

Электрическое поле – это одна из теоретических концепций, объясняющих явления взаимодействия меж заряженными телами. Субстанцию нельзя пощупать, но можно доказать существование, что и было сделано в ходе сотен натурных экспериментов.

Взаимодействие заряженных тел

Привыкли считать устаревшие теории утопией, между тем мужи науки вовсе не глупые. Сегодня смешно звучит учение Франклина об электрической жидкости, видный физик Эпинус посвятил целый трактат. Закон Кулона открыт экспериментально на основе крутильных весов, аналогичными методами пользовался Георг Ом при выводе известного уравнения для участка цепи. Но что лежит за всем этим?

Должны признаться, электрическое поле попросту является очередной теорией, не уступающей франклиновой жидкости. Сегодня известно о субстанции два факта:

  1. Постоянное электрическое поле существует вокруг заряженного тела. Наличествует два знака частиц, объекты могут притягиваться, отталкиваться. Учат в школе, нет смысла дополнительно здесь обсуждать вопрос. Напряженность поля показывает, в какую сторону будет действовать сила на положительно заряженную частицу – потому, является величиной векторной. Тело окружено линиями эквивалентности, в каждой точке которых направление уникальное. Для точечного заряда расходятся лучами в стороны. Направление определено знаком: векторы стремятся прочь от положительного.

    Силовые линии электрического поля

  2. Электрическое поле изменяется во времени, пространстве. Согласно уравнениям Максвелла, порождает магнитное, описываемое аналогичным законом. Векторы полей лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, существуют в тесной взаимосвязи. Электромагнитная волна, повсеместно используемая в быту, технике для передачи информации посредством эфира.

Изложенные факты заложили базис современного представления о взаимодействиях в природе, выступают опорой теории близкодействия. Помимо нее учеными выдвигались другие предположения о сути наблюдаемого явления. Теория близкодействия подразумевает мгновенное распространение сил без участия эфира. Поскольку явления пощупать труднее, нежели электрическое поле, многие философы окрестили подобные взгляды идеалистическими. В нашей стране они успешно критиковались советской властью, поскольку, как известно, большевики недолюбливали Бога, клевали по каждому удобному случаю идею существования чего-либо, “зависимого от наших представлений и поступков” (попутно изучая сверхвозможности Джуны).

Франклин объяснял положительные, отрицательные заряды тел избытком, недостаточностью электрической жидкости.

Характеристики электрического поля

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

Электрический потенциал

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

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

  • Градиентом электрического потенциала называется вектор, направление совпадает с наискорейшим ростом параметра поля. Значение тем больше, чем быстрее изменяется величина. Направлен градиент от меньшего значения потенциала к большему:
  1. Градиент перпендикулярен эквипотенциальной поверхности.
  2. Градиент тем больше, чем ближе расположение эквипотенциальных поверхностей, отличающихся друг от друга на заданную величину потенциала электрического поля.
  3. Градиент потенциала, взятый с обратным знаком, является напряженностью электрического поля.

Электрический потенциал. Градиент “взбирается в гору”

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

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

Пользуясь означенными величинами, математики и физики рассчитывают электрические и магнитные поля. Например, доказано: скалярный потенциал может быть только у безвихревого поля (точечных зарядов). Придуманы другие аксиомы. Вихревое поле ротора лишено дивергенции.

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

Краткая история развития электрического поля

  • Первой вехой назовем введение в обиход науки Лагранжем понятия потенциала. Параметр в теории электричества характеризует напряженность поля. Великий астроном ввел потенциал применительно к небесной механике в 1773 году.
  • В 1785 году Кулон с использованием крутильных весов опытным путем вывел закон взаимодействия между электрическими зарядами.
  • В 1812 году Пуассон связал понятие потенциала с электрическими и магнитными явлениями.
  • В 1819 году Эрстед эмпирически показал: магнитная стрелка может отклоняться текущим по проводнику током (см. Магнитная индукция), создающим вокруг круговое электрическое поле постоянной напряжённости.
  • 1827 год – Георг Ом вывел закон, связывающий величины напряжения и силы тока через сопротивление участка цепи. Использовалось действие поля на магнитную стрелку. Результирующая сила измерялась при помощи крутильных весов.

    Георг Ом

  • В 1831 году М. Фарадей публикует работы по электромагнетизму, показывая взаимосвязь двух разнородных полей, объясняется практическая сторона вопроса (электродвигатель). Фарадей занимался вопросами на тот момент без малого 10 лет, не решался опубликовать конспект, остановленный критикой со стороны своего наставника Дэви, считавшего идею задумки плагиатом (см. Википедию). Взгляды ученого нашли горячий отклик в сердцах материалистов. Согласно М. Фарадею поле распространяется с конечной скоростью в эфире (известная из физики скорость света).
  • Выведенное в 1833 году правило Ленца привело к выявлению в 1838 году обратимости электрических машин (с работы на генерацию энергии).
  • Во второй половине XIX века ввели в обиход единицы измерения магнитного и электрического полей (тесла появилась во второй половине XX века при утверждении системы единиц СИ).
  • В 1973 году Максвелл впервые излагает теорию в «Трактате об электричестве и магнетизме» взаимосвязи электрического, магнитного полей, подкрепляя уравнениями.

За постановкой теории последовали многочисленные работы по применению электрического и электромагнитного полей на практике, самой известной из которых в России считают опыт Попова по передачи информации через эфир. Возник ряд вопросов. Стройная теория Максвелла бессильна объяснить явления, наблюдающихся при прохождении электромагнитных волн через ионизированные среды. Планк выдвинул предположение: лучистая энергия испускается дозированными порциями, названными впоследствии квантами. Дифракцию отдельных электронов, любезно демонстрируемую Ютуб в англоязычном варианте, открыли в 1949 году советские физики. Частица одновременно проявляла волновые свойства.

Это говорит нам: современные представление об электрическом поле постоянном и переменном, далеки совершенству. Многие знают Эйнштейна, бессильны объяснить, что отрыл физик. Теория относительности 1915 года связывает электрическое, магнитное поля и тяготение. Правда, формул в виде закона представлено не было. Сегодня известно: существуют частицы, движущееся быстрее, распространения света. Очередной камень в огород.

Системы единиц претерпевали постоянное изменение. Изначально введенная СГС, базирующаяся на наработках Гаусса, не удобна. Первые буквы обозначают базисные единицы: сантиметр, грамм, секунда. Электромагнитные величины добавлены к СГС в 1874 году Максвеллом и Томсоном. СССР в 1948 году страной стала использовать МКС (метр, килограмм, секунда). Конец баталиям положило введение в 60-х годах XX века системы СИ (ГОСТ 9867), где напряженности электрического поля измеряется в В/м.

Использование электрического поля

В конденсаторах происходит накопление электрического заряда. Следовательно, меж обкладками образуется поле. Поскольку емкость напрямую зависит от величины вектора напряженности, с целью повышения параметра пространство заполняется диэлектриком.

Косвенным образом электрические поля применяются кинескопами, люстрами Чижевского, потенциал сетки управляет движением лучей электронных ламп. Несмотря на отсутствие стройной теории, эффекты электрического поля лежат в основе многих изображений.

Линии электрического поля: определение, свойства и чертежи

Что такое линии электрического поля

Линии электрического поля или электрические силовые линии представляют собой воображаемые линии, нарисованные для визуального представления электрического поля. Поскольку электрическое поле является векторной величиной, оно имеет как величину, так и направление. Предположим, вы смотрите на изображение ниже. Стрелки указывают линии электрического поля и указывают направление электрического поля. Значение силовых линий электрического поля заключается в том, что они сообщают нам, как пространство искажается из-за наличия заряда или распределения зарядов.

Рисунок 1: Линии электрического поля

Английский физик Майкл Фарадей впервые разработал концепцию линий электрического поля в 1830-х годах.

Свойства и характеристики линий электрического поля

  1. Для изолированных зарядов линии электрического поля исходят из положительного заряда и заканчиваются на бесконечности. С другой стороны, они начинаются с бесконечности и заканчиваются на отрицательном заряде.
  2. Когда положительный заряд помещается рядом с отрицательным зарядом, силовые линии начинаются в первом и заканчиваются во втором.
  3. Количество силовых линий, выходящих из положительного заряда или входящих в отрицательный заряд, пропорционально величине заряда.
  4. Линии поля никогда не пересекаются.
  5. Сила электрического поля определяется количеством силовых линий, проходящих через единицу площади, и, следовательно, пропорциональна близости силовых линий. Они расположены близко друг к другу там, где электрическое поле сильное, и далеко друг от друга там, где поле слабое.
  6. Направление электрического поля совпадает с направлением силовых линий электрического поля в случае одиночного изолированного заряда. Если два заряда расположены рядом друг с другом, направление электрического поля задается касательной, проведенной в любой точке прямой.

Как рисовать линии электрического поля

Линии электрического поля следуют определенной схеме и конфигурации в зависимости от распределения электрических зарядов. Поскольку электрическое поле является вектором, его изображают стрелками, проведенными рядом с зарядами. Правила рисования линий электрического поля следуют упомянутым выше свойствам.

Для одиночного заряда

Для одиночного изолированного заряда линии рисуются по-разному для положительных и отрицательных зарядов, как показано на рис. 1. Они нарисованы так, что выходят из положительного заряда и заканчиваются на бесконечности. С другой стороны, линии начинаются от бесконечности и заканчиваются на отрицательном заряде. Такое направление известно как радиальное направление. Другими словами, линии направлены радиально наружу для положительного заряда и радиально внутрь для отрицательного заряда.

Сила заряда также влияет на рисование линий. Меньший заряд будет иметь меньше линий, окружающих его, чем более высокий заряд, как показано на рисунке 2. Поскольку плотность линий в любой точке указывает на напряженность электрического поля в этой области, чем ближе линии, тем сильнее поле. Плотность высока вблизи заряда и уменьшается по мере продвижения дальше.

Рисунок 2: Плотность линий электрического поля

Для двух изолированных точечных зарядов

Наличие других зарядов изменит путь линий электрического поля. В этом случае электрическое поле будет подчиняться принципу суперпозиции. Величина и направление электрического поля в каждом месте представляют собой просто векторную сумму векторов электрического поля для каждого заряда.

Возьмем простой случай двух противоположных зарядов одинаковой величины, расположенных рядом друг с другом, как показано на рисунке 3. Электрические поля в точке A, вызванные зарядами +q и -q, равны E 1 и Е 2 соответственно. Следовательно, чистое электрическое поле в точке А, вызванное зарядами, равно E = E 1 + E 2 . Точно так же предположим, что выбраны другие точки в области (не показаны на изображении для простоты). Электрическое поле в этих точках можно определить с помощью этого векторного метода сложения.

Электрическое поле, вызванное двумя точечными зарядами

Зная электрическое поле в разных точках, мы можем приступить к рисованию силовых линий. Имейте в виду, что направление электрического поля касается линии электрического поля в этой точке (см. свойство № 6). На следующем изображении показаны силовые линии между (а) двумя одинаковыми и противоположными зарядами и (б) двумя равными и подобными зарядами. Из рисунка 4 видно, что разноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Рис. 4. Как рисовать линии электрического поля

Для проводника

В случае проводника заряды лежат на поверхности. Вектор электрического поля можно разложить на перпендикулярную и параллельную составляющие. Параллельные компоненты компенсируют друг друга; в противном случае в проводнике возникнет поверхностный ток. Перпендикулярные компоненты будут добавлять и вносить свой вклад в общее электрическое поле. Поэтому силовые линии электрического поля проводятся перпендикулярно поверхности проводника.

Для симметричной поверхности, такой как сфера или цилиндр, перпендикулярные компоненты являются радиальными. Линии нарисованы так, что они радиально выходят (наружу) из положительно заряженного проводника, как показано на рисунке 5. Если проводник имеет отрицательный заряд на своей поверхности, то линии будут радиально внутрь, как указано в свойствах (# 1).

Рисунок 5: Линии электрического поля Сферический цилиндрический проводник

Часто задаваемые вопросы

Q.1. Почему силовые линии электрического поля не проходят через проводник?

Ответ. Свободные электроны в проводнике нейтрализуют любую линию электрического поля внутри и делают электрическое поле нулевым. Таким образом, они имеют самый низкий потенциал.

Q.2. Почему силовые линии электрического поля искривляются вблизи краев плоского конденсатора?

Ответ. Линии электрического поля в конденсаторе с плоскими пластинами представлены параллельными линиями между двумя проводящими пластинами — положительной и отрицательной. По краям линии изгибаются, потому что заряды ведут себя как точечные заряды. Это явление известно как краевой эффект.

Q.3. Почему линии электрического поля не могут быть прерывистыми?

Ответ. Если силовые линии электрического поля прерывисты, электрическое поле не будет воздействовать на заряд в точках разрыва. Это невозможно, потому что заряд испытывает постоянную силу, когда движется в электрическом поле.

Q.4. В чем основное различие между магнитными и электрическими силовыми линиями?

Ответ. Магнитные силовые линии замкнуты. Они путешествуют внутри магнита и намагниченного объекта. С другой стороны, электрические силовые линии представляют собой непрерывные незамкнутые петли. Их нет внутри проводника.

Q.5. Могут ли силовые линии электрического поля пересекаться?

Ответ. Электрическое поле определяется путем проведения касательной в любой точке линий электрического поля. Если линии пересекутся, это будет означать, что в точке пересечения есть два электрических поля, что невозможно.

  • Литература

Последний раз рецензирование статьи производилось 2 февраля 2023 г.

Электрическое поле – силовая линия, свойства силовой линии, описание и свойства силового поля

СОДЕРЖАНИЕ

  • Электрическое поле
  • Силовая линия и свойства
  • Электрическое поле

Электрическое поле определяется как любая область, в которой на заряд действует сила электрического происхождения.

Есть два типа зарядов, а именно: положительные и отрицательные заряды.

Силовые линии

Электрическое поле определяется как область, в которой действует электрическая сила. Электрические поля можно изобразить с помощью электростатических силовых линий. Электростатическую силовую линию можно определить как линию, касательная которой направлена ​​в направлении действия силы на небольшой положительный заряд в этой точке. Стрелки на силовых линиях показывают направление действия силы на положительный заряд. Сила на отрицательный заряд действует в противоположном направлении.

Поскольку направление поля меняется от точки к точке, силовые линии обычно кривые.

Свойства силовых линий

1.         Силовые линии никогда не пересекаются.

2.         Силовые линии обычно представляют собой кривые, поскольку направление поля меняется от точки к точке.

3.         В однородном поле силовые линии прямые, параллельные и равномерно расположенные.

4.         Никакие силовые линии не начинаются и не заканчиваются в пространстве, окружающем заряд.

5.         Каждая силовая линия в электростатическом поле представляет собой непрерывную линию, оканчивающуюся положительным зарядом на одном конце и отрицательным зарядом на другом конце.

Закон Колумба гласит, что сила, действующая на два заряда Q1Q2, разделенных расстоянием r, прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Он также известен как закон обратных квадратов.

  • Потенциал электрического поля (В)

Это работа, совершаемая при перемещении единичного положительного заряда из точки бесконечности в точку поля. Его также можно определить как работу, выполняемую на единицу заряда, это скалярная величина, измеряемая в джоулях на колумб или вольт.

В = Вт/Q

  • Плотность потока D.

Обозначается буквой D. Это просто заряд на единицу площади. Измеряется в см-2/Клм²

            D = Q/A  

ОЦЕНКА

  1. Определение A. Интенсивность электрического поля B. Потенциал электрического поля
  2. Дифференциация между электрическим потенциалом и энергией электрического потенциала

Наблюдение за чтением

Новая школа Физика PG 72 и 73

Наизена на выходных

  1. The Si SI. единица плотности потока А. См 2 B. См C. См -2 D. C
  2. Электрический потенциал является скалярной величиной A. верно B. неверно C. не могу сказать D. ничего из вышеперечисленного
  3. Напряженность электрического поля является скалярной величиной A.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *