Содержание

Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

Электростатическое поле

Электростатическое поле - это особая форма материи, которая возникает вокруг неподвижного электрического заряда. Это поле нет возможности увидеть, понюхать. Поле можно представить при помощи линий напряженности (силовых линий).

На рисунке видно, какое условное направление имеют силовые линии: начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Изображено и то, как линии напряженности распределяются при взаимодействии одноименных и разноименных зарядов.В реальности силовые линии можно увидеть при помощи железных опилок.

Чем дальше удаляться от заряда, тем меньше сила поля (силовые линии редеют), тем слабее взаимодействуют заряженные тела, посредством создаваемого ими поля.
Поле бывает однородным. В этом случае линии напряженности параллельные.

Поле однородное между пластинами в центре

Напряженность поля

Как оценить силу поля вокруг некоторого заряда? Для этого используют пробный заряд q0. Пробный заряд - это всегда положительный заряд, его собственное электростатическое поле ничтожно мало, относительно исследуемого поля.
Сила, с которой поле действует на пробный заряд в данной точке поля, называется напряженностью электростатического поля в этой точке
Напряженность поля - векторная величина. Вектора - это касательная к линиям напряженности в данной точке поля. Направлен вектор туда же, куда силовая линия (линия напряженности).

Вектор напряженности в различных точках поля: А, B, C и D

Вектор напряженности в точках 1, 2 и 3

Можно вывести формулу
- напряженность поля точечного заряда q на расстоянии r от него.

Принцип суперпозиции

Если поле создается несколькими зарядами, то напряженность в некоторой точке равна векторной сумме напряженностей каждого из полей в отдельности

 

??? Вопросы

1. Какими зарядами создается электрическое поле?

2. Что называют электрическим полем?

3. Какими величинами характеризуется электрическое поле?

4. Запишите формулу напряженности электрического поля?

5. Запишите формулу напряженности электрического поля точечного заряда?

6. Назовите единицу измерения напряженности электрического поля?

7. Как изображается электрическое поле? 

8. Какое направлений силовых линий электрического поля?

9. Как называется электрическое поле, если его напряженность одинакова во всех точках?

10. В чем заключается принцип суперпозиции?

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ - это... Что такое ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ?

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ (электростатическое поле), область вокруг электрического заряда, в которой на каждую заряженную частицу действует некоторая сила. Объект с противоположным зарядом испытывает силу притяжения. Объект, имеющий такой же заряд, как и окружающее его поле, испытывает отталкивающее воздействие. Сила поля относительно единичного заряда на расстоянии r от заряда Q равна: Q/4pr2e, где e - диэлектрическая проницаемость среды, окружающей заряд. Переменное магнитное поле также может создать электрическое поле. см. также ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ.

Научно-технический энциклопедический словарь.

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
  • ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ" в других словарях:

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления (наряду с магн. полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрич. заряд (со стороны поля) силы, не зависящей от скорости движения заряда. Представление об Э. п. было введено М. Фарадеем в 30 х гг. 19 в.… …   Физическая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической индукцией). Напряженность электрического поля у… …   Современная энциклопедия

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — (14, а) …   Большая политехническая энциклопедия

  • ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля …   Большой Энциклопедический словарь

  • Электрическое поле

    — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости... Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ …   Официальная терминология

  • электрическое поле — Одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости. [ГОСТ Р 52002 2003] EN electric field constituent of an… …   Справочник технического переводчика

  • Электрическое поле —     Классическая электродинамика …   Википедия

  • электрическое поле — 06.01.07 электрическое поле [ electric field]: Составляющая электромагнитного поля, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля Е и электрической индукции D. Примечание Во французском языке термин «champ electrique»… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Электрическое поле — Демонстрация поля электростатического заряда. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической… …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

  • электрическое поле — частная форма проявления электромагнитного поля; создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряжённостью электрического поля. * * * ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, частная форма проявления… …   Энциклопедический словарь

Книги

  • Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Электромагнитное поле, магнитное поле, электрическое поле проводника с током. Импульсное поле витка с током и катушки (теория аб, Гуревич Гарольд Станиславович, Каневский Самуил Наумович. В книге доказано, что электромагнитное поле проводника с током образовано электронами. Электромагнитное поле - есть пространство, заполненное направленно движущимися по винтовым траекториям… Подробнее  Купить за 916 грн (только Украина)
  • Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле, Л. А. Бессонов. Рассмотрены традиционные и появившиеся за последние годы новые вопросы теории и методы расчета физических процессов в электрических, магнитных и электромагнитных полях, предусмотренные… Подробнее  Купить за 750 руб
  • Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Теория абсолютности, Гуревич Гарольд Станиславович, Каневский Самуил Наумович. Почему у свитых проводников с током отсутствует электромагнитное поле? Электромагнитное поле, магнитное поле, электрическое поле проводника с током. Импульсивноеполе витка с током и катушки… Подробнее  Купить за 715 руб
Другие книги по запросу «ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ» >>

Электричество и магнетизм

В Дополнении 3 разобран пример использования этих соотношений.

 В СИ единицей измерения потенциала электрического поля является вольт (В):

 

Напряженность поля определяет силу, действующую в поле на точечный заряд, а потенциал — его потенциальную энергию в этом поле. Поэтому, следуя смыслу соотношений и, напряженность электрического поля  называют силовой характеристикой поля, а потенциал  — его энергетической характеристикой.

Как и потенциальная энергия, потенциал поля всегда определен с точностью до аддитивной постоянной. Это видно из : поскольку набла есть дифференциальный оператор, потенциалы  и  физически тождественны, так как им соответствует поле одной и той же напряженности                                               

.

Это позволяет нормировать потенциал, произвольно выбирая некоторую точку  и полагая потенциал в этой точке равным нулю

               

(1.16)

Учитывая, что и напряженность поля, и потенциал поля убывают с ростом расстояния до системы зарядов, создающей поле, во всех тех случаях, когда конечный  заряд распределен по конечной области пространства, нормировать потенциал естественно и удобно на «нуль на бесконечности», то есть полагать его равным нулю на бесконечном удалении от системы зарядов

             

(1.17)

О тех идеализированных случаях, когда нормировка на нуль на бесконечности, именно в силу идеализированности задачи, лишена смысла, будет сказано далее.

Соотношение (1.13) позволяет вычислить напряженность поля по известному потенциалу;

            

(1.18)

Получим «обратную» связь: выразим потенциал поля через его напряженность. Для этого сравним три выражения: выражение для  из (1.18), выражение для вектора бесконечно малого перемещения  и выражение для полного дифференциала  функции :                                   

Нетрудно видеть, что скалярное произведение двух первых векторов равно полному дифференциалу  потенциала

             

(1.19)

или, с учетом

              

(1.20)

На самом деле это соотношение не новое. Если умножить (1.20) на заряд  и учесть связи (1.14) и (1.15), мы получим знакомое по главе 4 раздела «Механика» соотношение, связывающее работу консервативной силы и убыль потенциальной энергии                                          

Там же, в разделе «Механика» было показано, что стационарное потенциальное поле консервативно. Из соотношения (1.18) вытекает, что электростатическое поле консервативно во всех тех случаях, когда потенциал поля не зависит от времени.

Интегрируя соотношение (1.20) от точки , потенциал в которой принят равным нулю, до некоторой точки , потенциал в которой нас интересует, вдоль произвольной, удобной для вычислений кривой (поле консервативно и от формы кривой результат не зависти), получаем

                

(1.21)

Вычислим с помощью (1.21) потенциал поля точечного заряда , находящегося в начале координат, нормировав его на нуль на бесконечном удалении от этого заряда. Воспользуемся для этого законом Кулона в форме (1.9):

                 

(1.22)

При вычислении использовано тождество , справедливое для любого вектора :  и являющееся результатом простого дифференцирования определения модуля любого вектора: .

Таким образом, потенциал поля точечного заряда находящегося в начале координат имеет вид 

              

(1.23)

и поле это, как уже отмечалось ранее, центральное: фактически потенциал поля зависит только от .

Электрическое поле - Chip Stock

Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Определение 1

Напряженность электрического поля – это силовая характеристика, которая используется для количественного определения электрического поля.

Второе значение термина – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.

Напряженность электрического поля можно задать формулой:

E→=F→q.

Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора E→ совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.

Напряженность электрического поля

Какое поле называют электростатическим?

Определение 2

Электростатическое поле – это электрическое поле, которое окружает неподвижные и не меняющиеся со временем заряды.

Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.

Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.

Определение 3

Напряженность электрического поля, которая создается в определенной точке пространства системой зарядов, будет равна векторной сумме напряженностей электрических полей:

E→=E1→+E2→+…

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.

Определение 4

Обратите внимание

Согласно формуле, напряженность электростатического поля, которое создается точечным зарядом Q на расстоянии r от него, в соответствии с законом Кулона, будет равна по модулю:

E=14πε0·Qr2.

Это поле называется кулоновским.

В кулоновском поле направление вектора E⇀ зависит от знака заряда Q: если Q>0, то вектор E⇀ направлен по радиусу от заряда, если Q0 вектор E→ параллелен r→, а при Q

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/elektricheskoe-pole/elektricheskoe-pole-osnovnye-ponjatija/

Электрическое поле. Электрический ток

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле.

Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля.

Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды.

  Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Потенциал. Разность потенциалов. Кроме  напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j.

Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны.

Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е.

смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Полярные и неполярные диэлектрики

Важно

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды.  Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд.

Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд.

Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю.

Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела.

  Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Электроемкость, конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

 Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины.

Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к.

равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электрический ток

Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.

Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда.  О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Сила тока

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным.

Электродвижущая сила

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами.

Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит.

В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Совет

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

Источник: https://fireman.club/presentations/elektricheskoe-pole-elektricheskij-tok/

Электрическое поле

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 25.03.2015 11:06 Просмотров: 8162

Тела или частицы, обладающие электрическим зарядом, создают в окружающем их пространстве электрическое поле, являющееся одним из двух компонентов электромагнитного поля.

Что такое электрическое поле

После того как тело получило заряд, оно способно действовать на другие заряженные тела: притягивать тела с противоположным зарядом и отталкивать их, если они имеют такой же заряд.

Каким же образом происходит такое взаимодействие?

Зарядим металлический шарик, закреплённый на металлической подставке. Точно такой же по знаку заряд сообщим другому шарику из пенопласта, подвешенному на нити. Назовём его пробным. Перемещая его на разные расстояния, увидим, что нить с шариком отклоняется в любой точке пространства. Этот способ исследования называется методом пробного заряда.

Почему отклоняется пробный шарик?

Причина в том, что электрические заряды взаимодействуют друг с другом с помощью электрического поля, которое они создают в окружающем их пространстве.

Электрическое поле — это особый вид материи, с помощью которого это взаимодействие и происходит. Такое поле окружает каждый электрический заряд и действует на другие заряды с некоторой силой.

Следовательно, электрическое поле – разновидность силового поля.

Характеризуется электрическое поле физической величиной, которую называют напряжённостью электрического поля. Это количественная характеристика, векторная величина. Она равна отношению силы, действующей на точечный заряд в данной точке поля, к величине этого заряда:

где — напряжённость электрического поля;

 — сила, действующая на точечный заряд;

q – величина заряда.

Точечным называют заряженное тело, размеры которого настолько малы, что ими можно пренебречь по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается воздействие этого заряда. Электрические поля, создаваемые такими зарядами, называют кулоновскими полями.

Силы, действующие на пробный заряд в разных точках электрического поля, отличаются по величине и направлению. Соответственно, различны и напряжённости в этих точках поля. Такое поле называют неоднородным.

Если модуль и направление напряжённости электрического поля одинаковы во всех его точках, то такое поле называется однородным.

Однородное поле создаётся в  центре между двумя параллельными заряженными пластинами.

Электростатическое поле

Электрическое поле, созданное неподвижным и не меняющимся во времени зарядом, называется электростатическим полем.

Если электрическое поле образовано несколькими зарядами, то напряжённость в данной точке пространства равна сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности.

Графическое изображение электрического поля

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий.

Силовая линия – это такая линия, касательная к которой в каждой её точке совпадает с направлением вектора напряжённости в этой точке.

Начинаются силовые линии на положительных зарядах или на бесконечности и заканчиваются на отрицательных, либо уходят в бесконечность. Они никогда не пересекаются и не касаются друг друга.

Силовые линии указывают направление действия силы, которая действует на положительно заряженную частицу со стороны электрического поля.

 В общем эти линии имеют форму кривых. Но они могут быть и прямыми линиями в случае, если описывается поле одиночного точечного заряда.

Силовые линии положительного точечного заряда уходят в бесконечность.

Силовые линии отрицательного точечного заряда начинаются в бесконечности.

Обратите внимание

Совокупность двух точечных зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга, называется электрическим диполем. В целом электрический диполь нейтрален.

Вот так выглядят силовые линии электрического диполя.

А вот так располагаются силовые линии двух одинаковых по знаку электрических зарядов.

Электростатический потенциал

Другой величиной, характеризующей электростатическое поле, является электростатический потенциал (точечный потенциал). Это скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии взаимодействия электрического заряда с полем к величине этого заряда. Электростатический потенциал – это энергетическая характеристика электрического поля:

В вакууме электростатический потенциал точечного заряда определяют по формуле:

 ,

где q —  величина заряда, r — расстояние от заряда-источника до точки, для которой рассчитывается потенциал;

Напряжённость электрического поля связана с его потенциалом следующим отношением:

Так как электрическое поле является потенциальным полем, то работа, совершаемая при перемещении заряда q из точки 1 в точку 2, равна:

A = W1 – W2 = qψ1 – qψ2 = q(ψ1 – ψ2)

Разность потенциалов (ψ1 – ψ2) в электростатическом поле называется электрическим напряжением:

U = (ψ1 – ψ2) = A/q

Электрическое поле, созданное электрическими зарядами, называют потенциальным. Его силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном. Электрическое поле, возникшее за счёт электромагнитной индукции, называется вихревым. Силовые линии такого поля замкнуты. Существуют комбинации потенциальных и вихревых полей.

Электрическое поле является одной из составляющих электромагнитного поля. Оно возникает не только вокруг электрических зарядов, но и при изменении магнитного поля.

В свою очередь, магнитное поле появляется при изменении электрического поля или создаётся током заряженных частиц.

Источник: http://ency.info/materiya-i-dvigenie/elektrichestvo-i-magnetizm/416-elektricheskoe-

Электрическое поле, электрический ток

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.
  Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q1·q2/r2.

При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.   Выделяют следующие характеристики электрического поля:

  1.

Силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]

  Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε0εr2) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле;  ε0 = 8,84*10-12 Ф/м- электрическая постоянная;  ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.  За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Важно

  Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.

  2. Энергетическая характеристика электрического поля – потенциал. В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке  – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = Wp/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε0εγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.
Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

2. Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на: — проводники электрического тока — полупроводники — изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды.

Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы). Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов.

Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.

Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.

3. Электрический ток

Основной характеристикой электрического тока является

сила тока

– количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени.  I

ср

= Δq/Δt или для мгновенной силы тока : I

= dq/dt. Единицей измерения силы тока является ампер (

A

). 1 ампер – сила тока, когда заряд 1 кулон проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду. Часто используют миллиампер (

мА

). 1

мА

= 0,001

A

. Обычно за направление электрического тока в проводнике принимают направление движения положительных зарядов.

Другой величиной, характеризующей электрический ток, является плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу площади проводника. Измеряется в амперах на квадратный метр: J = I/S.  

Различают:

— Постоянный ток – электрический ток, параметры которого (сила и направление) не изменяются во времени. Источниками постоянного тока являются генераторы, которые поддерживают постоянную разность потенциалов на концах проводника.
— Переменный ток – электрический ток, параметры которого изменяются во времени по закону синуса или косинуса. Электрический ток, передаваемый в потребительской электросети, представляет собой синусоидальное колебание частотой 50 Гц: I = Imax·cos(ωt + φ0).
Основным законом, описывающим постоянный электрический ток, является закон Ома: сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов между его концами, или электрическому напряжению (U):  I = U/R.
Величина R называется электрическим сопротивлением. Сопротивление является свойством проводников препятствовать прохождению через него электрического тока, при этом электрическая энергия превращается в тепловую энергию. Сопротивление возникает из-за столкновения заряженных частиц (носителей тока) с внутренними структурами проводника – атомами и молекулами. Единицей измерения сопротивления является Ом. Обратная величина сопротивлению называется электрической электропроводностью (D). Для многих веществ сопротивление является постоянной величиной, независимой от силы тока. Сопротивление проводника является функцией его размера, формы, строения и температуры. Величина сопротивления провода: R = ρ(1/S) (5)

, где l – длина проводника, S — площадь поперечного сечения проводника. Константа прямой пропорциональности ρ  называется удельным сопротивлением [ом·м] . Она зависит только от свойств вещества и температуры. Обратной величиной удельному сопротивлению является удельная электропроводность (γ) [ом-1·м-1]  .

На основе удельной электропроводности характеризуют свойство веществ проводить электрический ток. Хорошие проводники тока имеют высокую удельную электропроводность. Изоляторы, или диэлектрики, имеют низкую удельную электропроводность. Полупроводники имеют промежуточную удельную электропроводность. Используя удельную электропроводность, как характеристику вещества, можно представить закон Ома в другой форме: J = γE.
Из формулы следует, что плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля (Е), создающего этот ток, и удельной электропроводности вещества проводника (γ).

Удельная электропроводность электролитов и биологических тканей

Плотность тока в растворе электролитов определяется электрическим зарядом положительных и отрицательных ионов, их концентрациями и скоростями движения в электрическом поле: J = q+n+v+ + q-n-v.

Если принять, что концентрация и величина электрического заряда положительных и отрицательных ионов равны, то  J = qn(v+ + v-)(8)
Скорость v ионов  пропорциональна напряженности электрического поля E и зависит от подвижности ионов u, которая, в свою очередь, является функцией размера, степени гидратации ионов, вязкости растворителя: v = uE (9)

Тогда     J = qn(u+ + u-)·E    (10).

Это выражение является  законом Ома для растворов электролитов. Хотя сопротивление биологических тканей постоянному электрическому току велико, и по удельной электропроводности биологические ткани близки к диэлектрикам, для объяснения различий в электропроводности различных тканей, их рассматривают как проводники 2 рода, носителями заряда в которых служат ионы. Биологические ткани не различаются существенно по их ионному составу, но отличаются условиями ионного перемещения. Поэтому ткани разнородны с точки зрения их электрических свойств. Мембраны клеток препятствуют перемещению ионов. Их электрическое сопротивление является наибольшим. Кровь, лимфа, цереброспинальная жидкость характеризуются низким сопротивлением электрическому току. Внутренние органы, содержащие много воды (мышцы, печень, почки, и т.п.), также имеют сравнительно низкое сопротивление. Но сопротивление таких тканей, как кожа и кости, очень высокое. Постоянный электрический ток плохо проникает через сухую кожу. Он распространяется в теле человека, главным образом, вдоль кровеносных и лимфатических сосудов и через мышцы. Причиной высокого сопротивления биологических тканей постоянному электрическому току – наличие статической ёмкости вследствие изоляционных свойств мембран и явления поляризации, происходящие в клетках, в результате которых возникает встречная эдс, препятствующая прохождению через ткань тока. Причём при малых значениях силы тока он не проходит через ткань вследствие влияния этой ЭДС, а при больших – происходит дезинтеграция (разрушение) клеточных структур, в результате чего сопротивление падает, однако дальнейшие исследования не имеют смысла. Поляризация – разделение положительных и отрицательных зарядов. многие полагают, что явление поляризации связано с наличием полупроницаемых мембран. Под действием электрического поля ионы начинают перемещаться, но не могут проникнуть через мембрану, в результате у внутренней поверхности мембраны возникает разделение зарядов. Внутри клетки образуется поляризационное поле. Как только его напряженность компенсирует внешнее поле перемещение ионов прекращается. Соответственно этому на внешней стороне мембраны концентрируются противоположно заряженные частицы. Другие, рассматривая клетки как слоистый диэлектрик, рассматривают явления поляризации как результат гетерогенности клеточных элементов по электропроводности, а также поляризацию связывают с дипольными молекулами (ориентация диполей вдоль силовых линий поля).

Постоянный ток используют в медицинской практике, для реализации двух методов – гальванизации и лекарственного электрофореза.

Переменный ток. Полное сопротивление

Электрические цепи переменного тока включают такие основные электрические компоненты как резисторы, конденсаторы и индукторы. Их специфические свойства — сопротивление, емкость и индуктивность.  

Емкость.

Если два проводника (пластины металла) разделены посредине изоляцией, они способны накапливать некоторое количество электрического заряда.

Величина, равная отношению суммарного заряда, накопленного на пластинах, к разности потенциалов между пластинами называется емкостью (измеряется в Фарадах (F):   C = q/U (13).

 

Индуктивность. Индуктивность L связана с наличием магнитного поля вокруг провода или катушки, через которые проходит электрический ток. Переменное магнитное поле порождает эдс (электродвижущую силу) самоиндукции, которая препятствует изменению силы тока в проводнике:

ε = -L·dl/dt (14),   где ε — электродвижущая сила, dl/dt — мгновенная скорость изменения силы тока, L — индуктивность, которая зависит от геометрии цепи и от магнитных свойств вещества проводника и среды. Индуктивность измеряется в Генри (Г).  

Реактанс (или реактивное сопротивление). Ранее упоминалось, что сопротивление является свойством электрической цепи препятствовать прохождению через нее электрического тока и что электрическая энергия при этом превращается в тепловую. Реактанс — мера сопротивления переменному электрическому току.

Реактанс связан с емкостью и индуктивностью некоторых частей цепи. Он не превращает электрическую энергию в энергию тепла. Реактанс присутствует дополнительно к сопротивлению, если через проводники протекает переменный ток. Когда в цепи течет постоянный электрический ток, то он подвергается только активному сопротивлению, но не реактансу.

Реактанс бывает двух типов: индуктивный и емкостной.

Совет

Емкостной реактанс XC является обратной величиной произведения угловой (циклической) частоты тока и емкости этой части цепи: XC = 1/(ω·C)(15).

Индуктивный реактанс XL равен произведению угловой частоты переменного тока на индуктивность проводника:  XL = ωL     (16).

  Доказано, что индуктивный реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи опережают изменения силы тока на четверть периода (π/2). Это можно объяснить тем, эдс самоиндукции препятствует нарастанию силы тока в цепи. Наоборот, емкостной реактанс приводит к тому, что изменения напряжения в электрической цепи отстают от изменения силы тока на четверть цикла (π/2). На рис. 3. проиллюстрировано данное явление.

Поэтому общий реактанс X представляет собой разность индуктивного и емкостного реактансов:  X = XL — XC.

Если суммировать активное сопротивление и общий реактанс, который препятствует прохождению переменного тока в электрической цепи, получим величину, которая называется полным сопротивлением Z – импедансом:

 Источники:

http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=1979

Источник: http://kineziolog.su/content/elektricheskoe-pole-elektricheskii-tok

Электрическое поле

Источник: http://electricaleather.com/el_pole

Электрическое поле и его характеристики

У многих возникают вопросы, что же именно представляет собой электрическое поле? В чём разница между электрическим полем и полем электромагнитным? И самый главный вопрос, как поле может влиять на окружающие предметы и человека, и как можно измерить силу этого воздействия?Вопросов много для одного понятия, поэтому нужно во всём последовательно разобраться. Для этого лучше всего строго разделить все понятия, что к чему относится.

Электрическое и электромагнитное поле

В первую очередь, стоит заметить, что нельзя путать эти два понятия, несмотря на то, что они немного схожи. В природе существует электрические и магнитные поля, взаимодействующие между собой и, при определённых условиях могут порождающие друг друга.

Электромагнитное поле – это итог взаимодействия электрического и магнитного полей, фундаментальное физическое поле, которое возникает вокруг заряженных тел. Таким образом, электрическое поле – это часть поля электромагнитного, которое в свою очередь порождает электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света.

Это не что иное, как возмущения электромагнитного поля.

Электрическое поле

Как уже было сказано ранее, электрическое поле – это часть фундаментального электромагнитного поля, это особый вид материи, который существует вокруг заряженных тел или частиц.

Оно может существовать и в свободном виде, когда происходят изменения магнитного поля, так как они напрямую зависят друг от друга и взаимодействуют между собой. Примером такого изменения могут быть электромагнитные волны.

Итак, электрическое поле возникает в пространстве вокруг заряженных тел и представляет собой вид материи, невидимой для обычного зрения человека. Но и его можно зафиксировать и измерить, благодаря тем характеристикам, которыми оно обладает.

На находящиеся в поле тела постоянно действуют электрические силы, они определяют запас энергии, которым обладает данное электрическое поле. На схемах электрическое поле изображают в виде непрерывных силовых линий – это традиционное представление, которое принято во всём мире.

Силовые линии не являются вымыслом, они фактически существуют на самом деле. Если в электрическое поле поместить частички гипса, предварительно взвешенные в масле, то они будут поворачиваться вдоль линий, так можно определить направление.

Напряжённость электрического поля

Важно

Электрическое поле можно измерить. В качестве количественного показателя вводится такое понятие, как напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика.

Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри его с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Другими словами, напряжённость – это отношение силы, действующей на заряд, к величине этого заряда.

В электротехнике с помощью напряжённости электрического поля характеризуют его интенсивность. Напряжённость можно назвать основной характеристикой электрического поля, его «силу и мощность»

Электрический потенциал

У электрического поля можно измерить различные количественные характеристики, можно определить его интенсивность и силу воздействия. По этим показателям можно судить о том воздействии, которое оно может оказывать на тела и на человека.Но у электрического поля есть и другая характеристика, которую можно назвать запасом энергии.

Этот запас энергии является способностью электрического поля совершать работу.Что же именно подразумевается под этим? Энергию можно накопить, для этого, например, можно сжать или растянуть пружину, при этом пружина будет совершать определённую работу за счёт той энергии, которая появляется в ней.

Точно также обстоит дело и с электрическим полем. Стоит только внести в него заряженное тело или частицу, то сразу высвобождается запас энергии. Заряд начинает двигаться вдоль силовых линий поля, а, следовательно, он совершает определённую работу.

Энергия сосредоточена в каждой точке электрического поля и может высвобождаться в такие моменты.Для этой характеристики электрического поля ввели специальное понятие – электрический потенциал. Он существует для каждой конкретной точки и его значение будет равно той работе, которую совершат силы при перемещении заряда.

При рассмотрении понятия электрического потенциала можно говорить и о разности потенциалов. Можно представить себе человека, который поднимается по лестнице. Чтобы ему подняться на десятый этаж, ему понадобится больше энергии, чем для того, чтобы подняться на седьмой.

Совет

Так и в электрическом поле, чем дальше нужно переместить заряд, тем большую энергию нужно затратить. В общих словах, электрический потенциал – это характеристика электрического поля, которая выражает его напряжённость. Она определяет «потенциал», запас энергии, работу, которую можно будет совершить.

Кстати, в некоторых частных случаях, когда изменения электрического и магнитного полей не происходит, электрический потенциал называется электростатическим. Это более упрощённый случай, и напряжённость высчитывается по более простой формуле.

Электрическое напряжение

Рассмотрев понятие электрического потенциала, можно переходить к ещё одной характеристике электрического поля – напряжению. Как уже было сказано ранее, каждая точка электрического поля обладает потенциалом, а между двумя разными точками образуется разница потенциалов.

Разница потенциалов, как правило, гораздо важней, так как чаще приходится иметь дело именно с этой характеристикой. При перемещении заряда в поле, потенциал определяет ту работу, которая совершается при этом.

Таким образом, напряжение определяется отношением работы электрического поля A к величине заряда q, который перемещается в нём.

Если вспомнить пример с человеком, который поднимается по лестнице, то в этом случае нас мало интересуют конкретные высоты каждого этажа, на который ему нужно подняться. Нам гораздо важней именно то расстояние, которое нужно пройти, разница между ними.

Т. е., это и есть разница потенциалов, если ввести ещё и понятие груза, который нужно поднять на верхний этаж, можно понять, что значит напряжение.Между двумя точками электрического поля существует разница потенциалов и возникает напряжение.

Оно характеризует тот запас энергии, который может высвободиться при перемещении заряда между этими двумя точками внутри рассматриваемого электрического поля.Все характеристики электрического поля зависят друг от друга, каждую их них можно определить, если известны другие.

Напряжение – один из наиболее важных показателей электрической цепи, оно измеряется в Вольтах (В), по нему определяют работу и мощность.

Электрическое поле в природе и в быту

Обратите внимание

Электрические поля встречаются повсеместно, мы буквально окружены ими. Как правило, оно неразрывны с магнитными полями, образуя единые электромагнитные поля. Они возникают вокруг любого заряженного тела.

Как пример – его можно получить, потерев обычную шариковую ручку о волосы.

Возле экранов телевизоров с электронно-лучевой трубкой или таких же мониторов компьютера, также возникает электрическое поле.

Его можно даже почувствовать, стоит лишь поднести руку, и волосы начнут притягиваться. И таких примеров можно найти очень много.

 

Похожие материалы

Источник: http://volt220.ru/index.php/bases/89-electric-field

1.2. Электрическое поле



По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле.

Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой.

Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля.

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности.

Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю

Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q  0 вектор параллелен а при Q 

Источник: https://multiring.ru/course/physicspart2/content/chapter1/section/paragraph3/theory.html

В работе

Эфироэлектрическая теория достигла, наконец, такого уровня развития, что позволяет приступить к созданию целостной картины мира. В настоящее время такая работа ведётся, промежуточные результаты периодически выкладываются в разделе «Картина мира».

Главная  Электрическое поле

   Понятие «электрическое поле«, как и понятие вообще обо всех, так называемых, физических полях возникло сравнительно недавно. Двухсот лет не прошло. Вначале людям было достаточно того, что наэлектризованные тела так или иначе взаимодействуют друг с другом.

Без понятия поля удалось построить практически всю электростатику, сформировать закон Кулона, выяснить роль среды в электрических взаимодействиях. Действие заряженных тел на расстоянии во времена Ш. О. Кулона не представлялось чем-то непонятным.

Дело в том, что со времён Ньютона люди привыкли к тому, что массивные тела притягиваются друг к другу на расстоянии, без непосредственного контакта. Этого понимания было вполне достаточно для построения практически всей классической механики. На расстоянии взаимодействовали и заряды и магниты.

Но вот в первой трети 19 века, во времена Фарадея, многие исследователи начали задаваться вопросом: как же могут взаимодействовать материальные объекты на расстоянии через «ничто»?

   Надо отметить, что в те времена уже существовал универсальный ответ на этот вопрос: материальные тела взаимодействуют друг с другом вовсе не через «ничто», а через вполне реальную окружающую их среду, через мировой эфир. Но такой ответ был слишком общим, слишком абстрактным. Без точных знаний об эфире не удавалось даже понять чем отличаются гравитационные взаимодействия 

от электрических, а электрические от магнитных и т.п. А ответы хотелось получить здесь и сейчас. Обычное для людей свойство. Тогда некоторые учёные (в частности сам М. Фарадей), просто объявили, что наэлектризованные или намагниченные тела окружены неким подобием «атмосферы», некоей субстанцией, которую назвали в случае наэлектризованных тел электрическим полем, а в случае тел намагниченных (и токов) магнитным полем. Конечно же, сразу проэкстраполировали эту идею на взаимодействие массивных тел, и назвали специфическую атмосферу, якобы окружающую массивные тела, гравитационным полем.

   Вначале никто особо не настаивал на физической реальности этих полей (за исключением, быть может, М. Фарадея, который, говорят современники, буквально «видел» силовые линии). Потом много потрудились над понятием поля математики и математически образованные физики, такие как Дж. Максвелл, О. Хевисайд, Г. Герц.

Обратите внимание

Выведены были уравнения полей, установлены различные красивые законы и соотношения, началось плодотворное практическое использование электричества и магнетизма.

И к концу 19 века уже все прочно верили в то, что эти физические поля — не просто удобный приём для описания неких загадочных взаимодействий, но реально и объективно существующие физические субстанции.  Произошло так называемое овеществление полей (по К. Канну).

Но быстро выяснилось, что магнитные явления могут порождать электрические, а электрические процессы могут порождать магнитные взаимодействия.

Стало быть, что же, эти поля не есть самостоятельные, объективно существующие и независящие ни от чего сущности? К этому времени из физики уже практически изгнали мировой  эфир, отчаявшись грубыми механистическими методами что-то выяснить о его сущности и свойствах. Так что вернуться назад, от придуманных наскоро «полей» к основе, к мировой среде было уже затруднительно.

   В начале 20 века учёные понимают, что никакиго магнитного поля, как самостоятельной физической субстанции не существует, а электрическое поле тоже проявляет себя по-разному в зависимости от того движется прибор или стоит. Возникла и экспериментальная база и теории, вроде специальной теории относительности (СТО) Эйштейна, которые ясно показывали  относительность силовых взаимодействий, а, значит, и их причины — физических полей. А раз «поле» зависит от того, движется наблюдатель (с прибором) или нет, вплоть до полного исчезновения этого «поля», то какие же они, к чёрту, объективно существующие субстанции? Чтобы как-то смягчить шок и недоумение от этого случившегося в первой же трети 20 века «исчезновения полей», учёные придумали так называемое «электромагнитное поле». Мол, магнитного и электрического поля нет, а есть единое электромагнитное поле, частными проявлениями которого являются электрические и магнитные явления, и вот оно-то и обладает объективным бытием. Вроде бы, ловкий ход? Увы, к тому времени как этот приём был придуман и внедрён в широкий научный обиход, уже появились на свет и «овеществились» новые «поля»: сильное и слабое ядерное, отвечающие за соответствующие взаимодействия между элементарными частицами. Да и с гравитационным случилась беда — оно, оказывается (по крайней мере теоретически, в рамках общей теории относительност (ОТО)),  должно влиять на электрические и магнитные взаимодействия. А возможно и на слабые с сильными. И тут родилась идея объединить все вообще столь поспешно овеществлённые «поля» в некое «Единое Поле», которое, соответственно, обладало бы максимальной объективностью и могло бы объяснить все известные учёным виды физических силовых взаимодействий. Идея, вроде бы, благородная. Только вот почти столетие возни в этом направлении так и не принесло серьёзного результата. Не выходит, увы, «каменный цветок»! А если завтра учёные придумают ещё парочку «полей»? А ведь уже, уже тянут ручонки… Вон, космологический член, якобы отвечающий за расширение Вселенной кое-кто уже уверенно крестит «полем». Эдаким всемирным полем отталкивания…
   А куда, собственно, наука идёт этим путём? Путём порождения всё новых и новых «полей» и последующего мучительного объединения их в некое «единое поле»? А идёт она всё к той же «мировой среде», к эфиру, от которого так поспешно, так неудачно и так ненадолго попыталась отказаться. Так может быть ну его, этот махровый мазохизм бесконечного придумывания полей с последующим объединением? Может начать-таки плясать от печки, т.е. от признания вездесущей мировой среды, эфира, через который и посредством которого и передаются все виды взаимодействий? Оказывается, что электрическое поле разумно мыслить просто как поляризованный эфир. Ниже приведены работы, в которых показано, как электрическое поле может быть сведено к эфиру, к его определённому поляризованному состоянию и к чему такой шаг приводит.

  • Электрическое поле?! Это очень просто!

Электростатическое поле и его характеристики

Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле.  Электростатическое поле – особый вид материи.

Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее.
Электростатическое поле не изменяется во времени.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность

Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. 

За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают

Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
             
         или        
                                                                                                                                                                  Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий.

Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.


Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (Силовые линии электростатических полей точечных зарядов.).

Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).  

Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее).

Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей.
Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным.


Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов.

Потенциал - энергетическая характеристика электрического поля.

Потенциал - скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда.
Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля.                φ = W / q
где φ - потенциал в данной точке поля, W- потенциальная энергия заряда в данной точке поля.
За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают  [φ] = В        (1В = 1Дж/Кл )
За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж.
Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции:
Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:

Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала.

Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество.
Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.

Электрическое поле. виды и работа. применение и свойства

Свойства

У каждого такого явления есть определенные особенности, которые постоянно остаются неизменными. Так, какова бы ни была энергетическая характеристика электрического поля, можно выделить следующие его свойства:

  • Зрительно обнаружить такое явление невозможно, как и определить его параметры. Для этого необходимы специальные приборы.
  • Любое электрическое поле обладает некоторым воздействием на заряды, при помощи которых и возникает. Они же влияют на его обнаружение.
  • Электрическое поле абсолютно реально и материально. Оно существовало и будет существовать вне зависимости от наших представлений, верований, знаний и так далее.
  • Любое электрическое поле обладает такими характеристиками, как напряженность, потенциал и напряжение.

Современная наука уже умеет сознательно создавать такие явления и даже управлять ими в определенных пределах, но еще очень далека от того, чтобы полноценно поставить их на службу человеку.

Напряженность поля точечного заряда

Рассмотрим напряженность электрического поля уединенного точечного заряда либо заряженной сферы.

Из определения напряженности следует, что для случая взаимодействия двух точечных зарядов, зная силу их кулоновского взаимодействия, можем получить величину напряженности электрического поля, которое создается зарядом q в точке на расстоянии r от него до точки, в которой исследуется электрическое поле:

Данная формула показывает, что напряженность поля точечного заряда изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от данного заряда, то есть, например, при увеличении расстояния в два раза, напряженность уменьшается в четыре раза.     

Линии напряженности

Попытаемся теперь охарактеризовать электростатическое поле нескольких зарядов. В этом случае необходимо воспользоваться сложением векторных величин напряженностей всех зарядов. Внесем пробный заряд и запишем сумму векторов сил, действующих на этот заряд. Результирующее значение напряженности получится при разделении значений этих сил на величину пробного заряда. Данный метод называется принципом суперпозиции.

Напряженность электростатического поля принято изображать графически при помощи силовых линий, которые также называют линиями напряженности. Такое изображение можно получить, построив вектора напряженности поля в как можно большем количестве точек вблизи данного заряда или целой системы заряженных тел.

Рис. 4. Линии напряженности электрического поля точечного заряда (Источник)

Рассмотрим несколько примеров изображения силовых линий. Линии напряженности выходят из положительного заряда (рис. 4,а), то есть положительный заряд является источником силовых линий. Заканчиваются линии напряженности на отрицательном заряде (рис. 4,б).

Рассмотрим теперь систему, состоящую из положительного и отрицательного зарядов, находящихся на конечном расстоянии друг от друга (рис. 5). В этом случае линии напряженности направлены от положительного заряда к отрицательному.

Большой интерес представляет электрическое поле между двумя бесконечными плоскостями. Если одна из пластин заряжена положительно, а другая отрицательно, то в зазоре между плоскостями создается однородное электростатическое поле, линии напряженности которого оказываются параллельными друг другу (рис. 6). 

Рис. 5. Линии напряженности системы двух зарядов (Источник)  

Рис. 6. Линии напряженности поля между заряженными пластинами (Источник)

В случае неоднородного электрического поля величина напряженности определяется густотой силовых линий: там, где силовые линии гуще, величина напряженности поля больше (рис. 7).

Рис. 7. Неоднородное электрическое поле (Источник)

Определение: Линиями напряженности называют непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с векторами напряженности в этой точке.

Линии напряженности начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отрицательных и являются непрерывными.

Изображать электрическое поле с помощью силовых линий мы можем так, как сами посчитаем нужным, то есть число силовых линий, их густота ничем не ограничивается. Но при этом необходимо учитывать направление векторов напряженности поля и их абсолютные величины.

Очень важно следующее замечание. Как говорилось ранее, закон Кулона применим только для точечных покоящихся зарядов, а также заряженных шариков, сфер

Напряженность же позволяет характеризовать электрическое поле вне зависимости от формы заряженного тела, которое это поле создает.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни. – М.: Просвещение, 2008.
  2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. — М.: Дрофа, 2000.
  3. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 кл.: пособие для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2013.
  4. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. 10 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2009.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Nauka.guskoff.ru (Источник).
  2. Youtube (Источник).
  3. Physics.ru (Источник).

Домашнее задание

  1. Стр. 378: № 1–3. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. — М.: Дрофа, 2000. (Источник)
  2. С каким ускорением движется электрон в поле напряженностью 10 кВ/м?
  3. В вершинах равностороннего треугольника со стороной a находятся заряды +q, +q и –q. Найти напряженность поля Е в центре треугольника.

Определение

Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле. Если сказать формулировку простыми словами, то это такое поле, которое действует на другие тела с определенной силой.

Основной количественной характеристикой является напряженность электрического поля. Она равна отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда. Сила действует в каком-то направлении, значит и напряженность ЭП векторная величина. Ниже вы видите формулу напряженности:

Напряженность ЭП действует в направлении, которое вычисляется по принципу суперпозиции. То есть:

На рисунке ниже вы видите условное графическое изображение двух зарядов разной полярности и силовые линии электрического поля, возникающего между ними.

Важно! Главным условием возникновения электрического поля является то, что тело должно иметь какой-то заряд. Только тогда вокруг него возникнет поле, которое будет действовать на другие заряженные тела

Чтобы определить величину напряженности электрического поля вокруг единичного пробного заряда используют закон Кулона, в этом случае:

Такое поле называют еще и кулоновским.

Другой важной физической величиной является потенциал электрического поля. Это уже не векторная, а скалярная величина, она прямопропорциональна энергии, приложенной к заряду:

Важно! Силовой и энергетической характеристикой электрического поля является напряженность и потенциал. Это и есть его основные физические свойства

Он измеряется в Вольтах и численно равен работе ЭП по перемещению заряда из определенной точки в бесконечность.

Более подробно узнать о том, что такое напряженность электрического поля, вы можете из видео урока:

Примечания

  1. // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 246. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
  2. Для любой частицы её электрический заряд постоянен. Измениться он может только если от частицы что-то заряженное отделится или если к ней что-то заряженное присоединится.
  3. Иногда его значения могут оказываться и одинаковыми в разных точках пространства; если E→{\displaystyle {\vec {E}}} одинаков всюду в пространстве (или в какой-то области), говорят об однородном электрическом поле — это частный, наиболее простой, случай электрического поля; в реальности электрическое поле может быть однородным лишь приближённо, то есть различия E→{\displaystyle {\vec {E}}} в разных точках пространства есть, но иногда они небольшие и ими можно пренебречь в рамках некоторого приближения.
  4. Электромагнитное поле может быть выражено и по-другому, например через электромагнитный потенциал или в несколько иной математической записи (в которой вектор напряжённости электрического поля вместе с вектором магнитной индукции входит в тензор электромагнитного поля), однако все эти способы записи тесно связаны между собой, таким образом, утверждение о том, что поле E→{\displaystyle {\vec {E}}} — одна из основных составляющих электромагнитного поля, не утрачивает смысла.
  5. Хотя исторически многие из них были открыты раньше.

Практика

Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду с себя и проскакивают искорки между волосами и шерстью, когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками, а они притягиваются и прочее. Но это не является нормальными техническими примерами.

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение. В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика. В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).

Из того, что есть в каждом доме – это электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них есть важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор. В нём заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, как раз таки благодаря работе электрического поля. На картинке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.

Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия. В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

Другое применение уже отошедшее в быту, но еще «живое» в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или т.н. кинескопы). Где одним из вариантов устройства для перемещения луча по экрану является электростатическая отклоняющая система.

Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения. Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме. Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.

На видео ниже кратко и понятно объясняется, что такое электрическое поле и какими свойствами обладает этот особый вид материи:

Материалы по теме:

  • Что такое диэлектрические потери
  • Зависимость сопротивления проводника от температуры
  • Закон Ома простыми словами
  • Книги для электриков

Основные характеристики

Их можно описать при помощи математических закономерностей, а некоторые — выразить графически. Последние характеристики являются векторными, то есть имеющими направление

Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось

Основными параметрами поля являются:

  1. напряженность;
  2. потенциал;
  3. индукция.

Напряженность поля

Это силовая характеристика электрического поля. Величина это векторная, и она характеризует силу, с которой поле воздействует на заряд в конкретной точке. Математически это выражается так:

Ē = F̄/q.

Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Если поле создано двумя зарядами, то результирующая напряженность рассчитывается графически — при помощи сложения векторов напряженностей от каждого отдельного источника. Этот способ получил название принципа суперпозиции.

Потенциалы и их разность

Электрическое поле способно совершать работу. Если пробный заряд передвигать в поле, то работа, выполненная эл. полем, будет зависеть от начального и конечного расстояние от пробного заряда до центра эл. поля. Сравнить это можно с человеком, который собрался прыгать с крыши. Пока он находится на высоте десятого этажа, его потенциальная энергия будет равна:

W = -GMm / Rr.

Или если учесть соразмерность земли и человека:

W = mgh.

Пока человек не прыгнул, он обладает потенциальной энергией. Когда же он, наконец, упадет, гравитационное поле совершит работу, численно равную вышеуказанной величине. При этом не учитывается горизонтальное перемещение — эту работу совершал сам покойный.

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

При перемещении в другую точку, когда расстояние r будет иным, поле совершит работу, равную:

A = W₁ — W₂ = q₁ q₀ /4 π ε ε₀ r₁ — q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

Если из обоих слагаемых выделить параметр, который относится непосредственно к полю, а не к пробному заряду, он будет выглядеть так:

φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

И вот это φ и называется потенциалом поля в точке. Исходя из всех написанных выше формул, можно выразить эту величину так:

φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Таким образом, работа, которую совершит поле, будет выражена следующим образом:

A = W₁ — W₂ = φ₁ q₁ — φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ — φ₂).

Выражение в скобках будет называться разностью потенциалов, или напряжением. Она показывает, какую работу совершит поле по перемещению пробного заряда.

A/q = (φ₁ — φ₂).

Единица этой величины, Дж/Кл, получила название Вольт, в честь ученого Алессандро Вольта. От этой единицы отсчитывают размерность и других величин в электростатике и электродинамике. Например, напряженность поля измеряется в В/м.

Электрическая индукция

Эта величина характеризует электрическое поле, что называется, в чистом виде. В реальности мы имеем дело с полем в различных средах, имеющих определенную диэлектрическую проницаемость. Несмотря на то что для большинства веществ это табличная величина, в ряде случаев она непостоянна, а ее зависимость от параметров среды (температура, влажность и т. д. ) нелинейна.

Такое явление характерно для сегнетовой соли, титаната бария, ниобата лития и ряда других.

D = ε ε₀ E.

Это тоже векторная величина, направление которой совпадает с направлением напряженности.

Применение

Характеристики электрических полей подразумевают наличие двух основных свойств, которые и используются человеком. Так, они могут формировать ионы, а погруженные в жидкость электроды позволяют без особых усилий разделять ее, грубо говоря, по фракциям. Именно в основе этих свойств и лежит использование электрических полей.

  • Медицина. Тут применяется система воздействия на пораженное место направленными ионами. В результате они способствуют повышению скорости регенерации, очищают рану, убивают микробов и так далее. Кроме того, свойства и характеристики электрических полей позволяют им «вибрировать» с большой частотой. Эта особенность также используется. Благодаря ей можно повысить температуру некоторых отдельных частей тела, что будет способствовать улучшению кровотока и положительно скажется на здоровье.
  • Очистка. В этой сфере используется система разделения жидкостей. Так, именно подобная особенность применяется в очистных сооружениях. Вода, в которой растворено огромное количество всевозможного мусора, становится очень вредной. При этом с ней сложно что-то сделать, ведь далеко не все фильтры смогут справиться с проблемой. В такой ситуации и применяются электрические поля, которые разделяют воду, отделяя от нее часть загрязнений. В результате получается достаточно простой, быстрый и дешевый этап очистки.
  • Химия. Эта наука использует в промышленности то же самое свойство разделения жидкостей. Оно активно применяется в лабораторных условиях, но чаще всего его можно встретить в сфере добычи нефти. В некоторых случаях она получается достаточно загрязненной и требуется потратить много времени средств, чтобы в конечном итоге возник нужный продукт. Справиться с этим сильно помогает электрическое поле. Оно разделяет нефть, убирая большую часть загрязняющих элементов и тем самым значительно облегчая ее дальнейшую обработку.

Существует и множество других вариантов использования. Например, электромагнитное поле, в состав которого входит и рассматриваемое в этой статье явление, может служить беспроводной системой передачи электричества к разным приборам. К сожалению, в большинстве случаев все подобные разработки носят скорее теоретический и экспериментальный характер.

Статическое и вихревое поле

Как упоминалось в начале статьи, электрическое поле может возникать вокруг переменного магнитного поля. Оно даже создает ток, что может быть достигнуто двумя путями:

  • изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
  • изменением положения самого проводника.

При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.

Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.

ПараметрЭлектростатическоеВихревое
форма силовых линийразомкнутыезамкнутые
чем создаетсянеподвижным зарядомпеременным магнитным потоком
источник напряженностизарядотсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуренулеваясоздает ЭДС индукции

Нельзя сказать, что первое и второе поле никак между собой не связаны. Это не так. В реальности работает такая закономерность: неподвижный заряд создает электростатическое поле, которое движет заряд в проводнике; движущийся заряд порождает постоянное магнитное поле. Если заряд движется с непостоянной скоростью и направлением, то магнитное поле становится переменным и создает вторичное электрическое. Таким образом, электрическое поле и его характеристики влияют на возможность возникновения магнитного и его параметры.

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.

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.

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.

Потенциал

Это еще одна характеристика электрического поля. Потенциал является накопленной энергией, которую явление может использовать для перемещения зарядов. Когда тот начинает двигаться, на это тратится вот этот самый ресурс, и в конечном итоге он становится равным нулю. Накапливается он обратным образом. В качестве примера можно взять все тот же заряд, но расположенный вне электрического поля. Как только некая сила перемещает его внутрь и двигает там, появляется потенциал.

Проще всего это представить на примере обычной пружины. В своем спокойном положении она не имеет никакого потенциала и просто представляет собой изогнутый кусок металла. Но как только мы начнем сдавливать ее, начнет возникать потенциал. Если отпустить пружину, она моментально распрямится и при этом подвинет все предметы, которые сможет, расположенные на ее пути. Если вернуться к рассматриваемым электрическим полям, то в их случае потенциал будет строго соответствовать приложенным усилиям на перемещение заряда. В современной науке этот показатель измеряется вольтами.

Что такое электрическое поле

Как и во многих других случаях, начать описание данного явления нужно именно с его определения. С точки зрения современной науки, оно представляет собой специальный вариант материи, созданной при помощи заряженных тел. Обнаружить электрическое поле и его характеристики можно благодаря взаимодействию друг с другом зарядов. Они и есть основные составные элементы данного явления. Обычным зрением обнаружить его невозможно, но у человека много других органов чувств. И вот с их помощью определить наличие такого поля вполне реально. Самый простой пример – поднести руку к экрану телевизора. Он, как и любые другие электронные приборы, создает вокруг себя именно такое поле, на что реагируют волоски на руке. В результате человек получает возможность весьма условно, но все же определять наличие или отсутствие такого явления.

Электрическое поле

Закон Кулона, изученный на прошлом уроке, был установлен экспериментально и справедлив для покоящихся заряженных тел. Каким же образом происходит взаимодействие заряженных тел на расстоянии? До некоторых пор при изучении электрических взаимодействий бок о бок развивались две принципиально разные теории: теория близкодействия и теория дальнодействия (действия на расстоянии).

Теория близкодействия заключается в том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством промежуточного звена (например, цепь в задаче о поднятии ведра из колодца является промежуточным звеном, посредством которого мы воздействуем на ведро, то есть поднимаем его).

Теория дальнодействия гласит, что заряженные тела взаимодействуют через пустоту. Шарль Кулон придерживался именно этой теории и говорил, что заряженные тела «чувствуют» друг друга. В начале XIX века конец спорам положил Майкл Фарадей (рис. 1). В работах, связанных с электрическим полем, он установил, что между заряженными телами существует некий объект, который и осуществляет действие заряженных тел друг на друга. Работы Майкла Фарадея были подтверждены Джеймсом Максвеллом (рис. 2). Он показал, что действие одного заряженного тела на другое распространяется за конечное время, таким образом, между заряженными телами должно существовать промежуточное звено, через которое осуществляется взаимодействие.

Рис. 1. Майкл Фарадей (Источник)

Рис. 2. Джеймс Клерк Максвелл (Источник)

Определение: Электрическое поле – это особая форма материи, которая создается покоящимися зарядами и определяется действием на другие заряды.

Энергетическая характеристика электрического поля называется · GitHub


Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Пробный заряд — точечный заряд, который вносится в данное электростатическое поле для измерения его характеристик. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов — источников измеряемого поля и тем. Электрический диполь — система двух разноименных по знаку и одинаковых по величине точечных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии один от другого. Вектор l, проведенный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя. Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой поля и определяется не только зарядами, создающими поле, но зависит и от свойств среды, в которой находятся эти заряды. Часто бывает удобно исследовать электрическое поле, рассматривая только заряды и их расположение в пространстве, не принимая во внимание свойств окружающей среды. Электрические поля можно изображать графически: Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в г. Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые см. Кавендишем для определения гравитационной постоянной ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более лет. Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид. FAQ Обратная связь Вопросы и предложения. Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Электрическое поле и его характеристики. Электрическое поле в диэлектриках. Точечный заряд — модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь в условиях данной конкретной задачи ввиду малости размеров тела по сравнению с расстоянием от него до точки определения поля. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов — источников измеряемого поля и тем самым не изменить создаваемое ими поле. Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных: В векторной форме закон Кулона имеет вид В СИ коэффициент пропорциональности равен Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:


16. Электрическое поле и его характеристики. Сила Кулона.

Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном Силовые линии электростатических полей точечных зарядов. Густота линий напряженности характеризует напряженность поля чем плотнее располагаются линии, тем поле сильнее. Sign in Recent Site Activity Report Abuse Print Page Powered By Google Sites. Главная страница Сайт ФИПИ сайт ЕГЭ ГИА 9 класс Сайт школы физкультминутка Об авторе. Для знатоков английского языка. Сайт имеет мобильную версию. Вы будете автоматически на нее перенаправлены, если зайдете на сайт с мобильного устройства. Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле. Электростатическое поле — особый вид материи. За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают. Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий. Потенциал - энергетическая характеристика электрического поля. Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала. Навигация Главная страница Необычное в обычном Теория Решаем задачи Лабораторные работы Видео уроки Для знатоков английского языка Работы учеников Учебные проекты Учебники Рабочие программы Обратная связь Архив Карта сайта 46 дн. Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда — сильнее. Электростатическое поле не изменяется во времени. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции наложения электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности: Силовыми линиями линиями напряженности электрического поля называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке. Электростатическое поле точечного заряда неоднородно ближе к заряду поле сильнее. Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей. Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным. Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов. Потенциал - скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда. Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля. Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции: Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности: Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество. Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.


https://gist.github.com/214bae900b3a9c31b640154e3e379bcb
https://gist.github.com/9fb1aa00837dcbe6d7117ee0602356ff
https://gist.github.com/fff3742ad05c66de94514358082c067d

Что такое электрическое поле? Определение, типы и свойства

Определение: Область вокруг электрического заряда, в которой действует напряжение или электрическая сила, называется электрическим полем или электростатическим полем. Если величина заряда велика, это может создать огромное напряжение вокруг области. Электрическое поле обозначается символом E. Единица измерения электрического поля в системе СИ - ньютон на кулон, что равно вольтам на метр.

Электрическое поле представлено воображаемыми силовыми линиями.Для положительного заряда силовая линия выходит из заряда, а для отрицательного заряда силовая линия будет двигаться к заряду. Электрическое поле для положительных и отрицательных зарядов показано ниже

.

Рассмотрим единичный заряд Q, помещенный в вакуум. Если рядом с Q поместить другой заряд q, то, согласно закону Кулона, заряд Q приложит к нему силу. Заряд Q создает вокруг себя электрическое поле, и когда рядом с ним помещается любой другой заряд, электрическое поле Q прикладывает к нему силу.Электрическое поле, создаваемое зарядом Q в точке r, равно

где Q - заряд единицы
r - расстояние между зарядами

Заряд Q прилагает силу к заряду q, выражается как

Заряд q также прилагает к заряду Q равную и противоположную силу.

Типы электрического поля

Электрическое поле в основном подразделяется на два типа. Это однородное электрическое поле и неоднородное электрическое поле.

1. Равномерное электрическое поле

Когда электрическое поле постоянно в каждой точке, это поле называется однородным электрическим полем.Постоянное поле получается путем размещения двух проводников параллельно друг другу, и разность потенциалов между ними остается одинаковой в каждой точке.

2. Неоднородное электрическое поле

Поле, которое нерегулярно в каждой точке, называется неоднородным электрическим полем. Неоднородное поле имеет разную величину и направление.

Свойства электрического поля

Ниже приведены свойства электрического поля.

  1. Линии поля никогда не пересекаются.
  2. Они перпендикулярны поверхностному заряду.
  3. Поле сильное, когда линии расположены близко друг к другу, и слабое, когда силовые линии удаляются друг от друга.
  4. Количество силовых линий прямо пропорционально величине заряда.
  5. Силовая линия электрического поля начинается от положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.
  6. Если заряд одиночный, то они начинаются или заканчиваются на бесконечности.
  7. Линии кривые непрерывны в свободной области.

Когда электрическое и магнитное поля объединяются, они образуют электромагнитное поле.

Электрическое поле

Электрический напряженность поля

сила или напряженность электрического поля в любой точке в электрическом поле называется электрическим полем сила.

Для описания электрического поля мы необходимо указать его силу.Напряженность электрического поля в любой точке электрического поля определяется размещение единичного заряда в этой точке. Когда единица заряд помещен в электрическое поле, он будет испытывать электрическая сила. Эта электрическая сила либо привлекательный или отталкивающий.

количество электрической силы, действующей на единичный заряд, помещенный на любая точка в электрическом поле называется электрическим полем напряженность или напряженность электрического поля.

Если количество силы, действующей на единичный заряд в данной точке меньше, напряженность электрического поля в этой точке меньше. Аналогичным образом, если сила, действующая на единицу заряд в данной точке высок, напряженность электрического поля в этот момент высокий. Напряженность или напряженность электрического поля - векторная величина; он имеет как величину, так и направление.

Электрический Напряженность поля математически можно определить как силу на плата за единицу

Как мы знаем, что сила измеряется в Ньютонах, а заряд измеряется в кулонах. Следовательно, напряженность электрического поля равна измеряется в Ньютонах на кулон (Н / Кл).

Типы электрического поля

Электрические поля четырех типы:

  • Равномерное электрическое поле
  • Неоднородное электрическое поле
  • Статическое электрическое поле
  • Изменяющееся во времени электрическое поле

Униформа электрическое поле - это электрическое поле, в котором в каждой точке в электрическом поле имеет постоянное электрическое поле сила.
  • Неоднородное электрическое поле

Неоднородный электрическое поле - это электрическое поле, в котором при любых двух точки в электрическом поле не имеют постоянного напряженность электрического поля.

В напряженность электрического поля, которая не меняется в зависимости от относительно времени называется статическим электрическим полем.Этот статический электрическое поле создается статическими электрическими зарядами.
  • Электрический переменный во времени поле

В напряженность электрического поля, которое изменяется в зависимости от время называется изменяющимся во времени электрическим полем.

Возвращение к электрическому полю | Безграничная физика

Электрическое поле точечного заряда

Точечный заряд создает электрическое поле, которое можно рассчитать по закону Кулона.

Цели обучения

Определить закон, который можно использовать для расчета электрического поля, создаваемого точечным зарядом

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Электрическое поле - это векторное поле вокруг заряженной частицы. Он представляет силу, которую почувствовали бы другие заряженные частицы, если бы их поместили рядом с частицей, создающей электрическое поле.
  • Учитывая точечный заряд или частицу бесконечно малого размера, которая содержит определенный заряд, силовые линии электрического поля исходят одинаково во всех радиальных направлениях.
  • Если точечный заряд положительный, силовые линии направлены от него; если заряд отрицательный, на него указывают силовые линии.
Ключевые термины
  • закон Кулона : математическое уравнение, вычисляющее вектор электростатической силы между двумя заряженными частицами
  • векторное поле : конструкция, в которой каждая точка в евклидовом пространстве связана с вектором; функция, диапазон которой является векторным пространством

Электрическое поле точечного заряда, как и любое другое электрическое поле, представляет собой векторное поле, которое представляет эффект, который точечный заряд оказывает на другие заряды вокруг него.Эффект ощущается как сила, и когда заряженные частицы не движутся, эта сила известна как электростатическая сила. Электростатическая сила, как и сила тяжести, действует на расстоянии. Поэтому мы рационализируем это действие на расстоянии, говоря, что заряды создают вокруг себя поля, которые влияют на другие заряды.

Учитывая точечный заряд или частицу бесконечно малого размера, которая содержит определенный заряд, силовые линии электрического поля излучаются радиально во всех направлениях.Если заряд положительный, силовые линии направлены радиально от него; если заряд отрицательный, силовые линии направлены радиально к нему.

Электрическое поле положительного точечного заряда : Электрическое поле положительно заряженной частицы направлено радиально от заряда.

Электрическое поле точечного отрицательного заряда : электрическое поле отрицательно заряженной частицы направлено радиально к частице.

Причину этих направлений можно увидеть в выводе электрического поля точечного заряда.2} \ hat {\ text {r}}} [/ latex]

Вышеприведенное уравнение определено в радиальных координатах, которые можно увидеть в. Константа k является результатом простого объединения констант вместе, а q - это заряд частицы, создающей электрическое поле. Этот заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Если заряд положительный, как показано выше, электрическое поле будет направлено в положительном радиальном направлении от заряда q (от заряда). 2} \ hat {\ text {r}}} [/ latex]

Радиальная система координат : электрическое поле точечного заряда определяется в радиальных координатах.Положительное направление r указывает от начала координат, а отрицательное направление r указывает на начало координат. Электрическое поле точечного заряда симметрично относительно направления θ.

Следует иметь в виду, что указанная выше сила действует на испытательный заряд Q в положительном радиальном направлении, определяемом исходным зарядом q . Это означает, что поскольку оба заряда являются положительными и будут отталкиваться друг от друга, сила, действующая на тестовый заряд, направлена ​​в сторону от исходного заряда.2} \ hat {\ text {r}} [/ latex]

Обратите внимание, что это указывает в отрицательном направлении [latex] \ hat {\ text {r}} [/ latex], то есть к исходному заряду. Это имеет смысл, потому что противоположные заряды притягиваются, и сила, действующая на тестовый заряд, будет стремиться подтолкнуть его к исходному положительному заряду, создающему поле. Приведенное выше математическое описание электрического поля точечного заряда известно как закон Кулона.

Наложение полей

Результат нескольких электрических полей, действующих на одну и ту же точку, является суммой напряженности сил, приложенных каждым полем в этой точке.

Цели обучения

Сформулируйте принцип суперпозиции для линейной системы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Принцип суперпозиции гласит, что для всех линейных систем чистый ответ на множественные стимулы в определенном месте и в определенное время равен сумме ответов, которые были бы вызваны каждым стимулом в отдельности.
  • Возможные стимулы включают, помимо прочего, числа, функции, векторы, векторные поля и изменяющиеся во времени сигналы.
  • Принцип суперпозиции применим к любой линейной системе, включая алгебраические уравнения, линейные дифференциальные уравнения и системы уравнений вышеупомянутых форм.
  • Электрические поля - это непрерывные поля векторов, поэтому в данной точке можно найти силы, которые несколько полей будут приложить к испытательному заряду, и сложить их, чтобы найти результат.
Ключевые термины
  • ортогонально : из двух объектов под прямым углом; перпендикулярны друг другу.
  • принцип суперпозиции : принцип, согласно которому линейная комбинация двух или более решений уравнения сама по себе является решением; это особенность многих физических законов.
  • вектор : Направленная величина, имеющая как величину, так и направление; между двумя точками.

Как векторные поля, электрические поля подчиняются принципу суперпозиции. Этот принцип гласит, что для всех линейных систем чистый ответ на множественные стимулы в определенном месте и в определенное время равен сумме ответов, которые были бы вызваны каждым стимулом индивидуально.

Возможные стимулы включают, помимо прочего: числа, функции, векторы, векторные поля и изменяющиеся во времени сигналы. Следует отметить, что принцип суперпозиции применим к любой линейной системе, включая алгебраические уравнения, линейные дифференциальные уравнения и системы уравнений вышеупомянутых форм.

Например, если силы A и B постоянны и одновременно действуют на объект, обозначенный буквой O in, результирующая сила будет суммой сил A и B.Сложение векторов является коммутативным, поэтому добавление A к B или B к A не влияет на результирующий вектор; это также относится к вычитанию векторов.

Сложение векторов : Силы a и b действуют на объект в точке O. Их сумма коммутативна и дает результирующий вектор c.

Электрические поля - это непрерывные поля векторов, поэтому в данной точке можно найти силы, которые несколько полей будут применять к испытательному заряду, и сложить их, чтобы найти результат.Для этого сначала найдите составляющие вектора силы, прикладываемой каждым полем в каждой из ортогональных осей. Это можно сделать с помощью тригонометрических функций. Затем, как только векторы-компоненты найдены, добавьте компоненты по каждой оси, которые применяются объединенными электрическими полями.

Это единственная форма решения. Общий результирующий вектор можно найти, используя теорему Пифагора, чтобы найти результирующую (гипотенузу треугольника, созданного с помощью приложенных сил как катетов) и угол по отношению к данной оси, приравняв арктангенс угла к отношению силы соседних и противоположных ног.

Линии электрического поля: многократные заряды

Электрические поля, создаваемые множеством зарядов, взаимодействуют, как и любые другие векторные поля; их силы можно подвести.

Цели обучения

Вычислить результирующую силу нескольких электрических зарядов на испытательном заряде

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Когда взаимодействуют несколько электрических зарядов, их результирующая сила на испытательном заряде может быть вычислена с помощью векторного сложения.
  • Если рассматриваются противоположные заряды, соедините один с другим с помощью силовых линий. Если заряды одинаковые, ни в коем случае не подключайте их.
  • При моделировании электрических полей нескольких зарядов учитывайте знак и величину каждого заряда. Количество силовых линий должно быть пропорционально величине заряда, который их вызывает.
Ключевые термины
  • вектор : Направленная величина, имеющая как величину, так и направление; между двумя точками.

До сих пор мы рассматривали силовые линии электрического поля, относящиеся к изолированным точечным зарядам. Но что, если будет введено другое обвинение? У каждого будет свое собственное электрическое поле, и эти два поля будут взаимодействовать.

При моделировании электрических полей нескольких зарядов важно учитывать знак и величину каждого заряда. Такие модели не должны быть абсолютными, но должны быть непротиворечивыми. Например, числовое поле линий должно быть пропорционально величине заряда, который их порождает.Это означает, что если заряды q 1 (со значением +1) q 2 (заряд +2) и q 3 (заряд +3) находятся в одном поле, можно соединить 4, 8 и 12 силовые линии соответственно зарядам. Можно также выбрать подключение 3, 6 и 9 силовых линий соответственно к q 1 , q 2 и q 3 ; важно то, что количество линий связано со значениями заряда одной и той же константой пропорциональности. Линии поля всегда должны быть направлены от положительных зарядов в сторону отрицательного заряда.

Силовые линии между подобными и непохожими зарядами : Пример a показывает, насколько слабое электрическое поле между подобными зарядами (концентрация силовых линий между ними мала). Пример b, напротив, имеет сильное поле между зарядами, о чем свидетельствует высокая концентрация соединяющих их силовых линий.

Если рассматриваются противоположные заряды, соедините один с другим с помощью силовых линий. Если заряды одинаковые, ни в коем случае не подключайте их.

Напряженность электрического поля пропорционально зависит от расстояния между силовыми линиями.Больше линий поля на единицу площади, перпендикулярной линиям, означает более сильное поле. Также следует отметить, что в любой точке направление электрического поля будет касательным к силовой линии.

Определение чистой силы при испытании заряда

Как векторные поля, электрические поля проявляют свойства, типичные для векторов, и поэтому могут складываться друг с другом в любой интересующей точке. Таким образом, для заданных зарядов q 1 , q 2 ,… q n , можно найти их равнодействующую силу на испытательном заряде в определенной точке с помощью векторного сложения: сложения составляющих векторов в каждом направлении и использования обратной тангенса функция, чтобы найти угол результирующей по отношению к данной оси.

Конденсатор с параллельными пластинами

Конденсатор с параллельными пластинами - это электрический компонент, используемый для хранения энергии в электрическом поле между двумя заряженными плоскими поверхностями.

Цели обучения

Опишите общую конструкцию конденсатора

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Конденсаторы могут быть разных форм, но все они состоят из двух проводников, разделенных диэлектрическим материалом.
  • Все конденсаторы собирают заряд на двух отдельных проводящих поверхностях; одна сторона положительная, а другая отрицательная.Электрическое поле создается, когда заряд накапливается на противоположных поверхностях, накапливая энергию. Диэлектрик действует как изолятор, изолируя заряженные поверхности.
  • Способность конденсаторов удерживать заряд измеряется в Фарадах (Ф). Конденсаторы обычно допускают небольшую утечку тока через диэлектрик, но после определенного напряжения весь конденсатор выходит из строя, поскольку диэлектрик становится проводником.
Ключевые термины
  • конденсатор : Электронный компонент, способный накапливать электрический заряд, особенно тот, который состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком.
  • диэлектрик : Электроизоляционный или непроводящий материал, рассматриваемый на предмет его электрической восприимчивости (т. Е. Его свойства поляризации при воздействии внешнего электрического поля).
  • проводник : Материал, содержащий подвижные электрические заряды.

Обзор

Конденсатор - это электрический компонент, используемый для хранения энергии в электрическом поле. Конденсаторы могут быть разных форм, но все они состоят из двух проводников, разделенных диэлектрическим материалом.Для этого атома мы сосредоточимся на конденсаторах с параллельными пластинами.

Схема конденсатора с параллельными пластинами : Заряды в диэлектрическом материале идут вверх, чтобы противостоять зарядам каждой пластины конденсатора. Электрическое поле создается между пластинами конденсатора по мере накопления заряда на каждой пластине.

Емкость

Все конденсаторы собирают заряд на двух отдельных проводящих поверхностях; одна сторона положительная, а другая отрицательная. Электрическое поле создается, когда заряд накапливается на противоположных поверхностях, накапливая энергию.Диэлектрик между проводниками должен действовать как изолятор, не позволяя заряду перекрывать зазор между двумя пластинами. Такие диэлектрики обычно состоят из стекла, воздуха, бумаги или пустого пространства (вакуума). На практике диэлектрики не действуют как идеальные изоляторы и пропускают через них небольшой ток утечки.

Конденсаторы ограничены в своей способности предотвращать перетекание заряда с одной проводящей поверхности на другую; их способность удерживать заряд измеряется в фарадах (Ф), которые, среди прочего, определяются как 1 ампер-секунда на вольт, один джоуль на квадратный вольт и один кулон на вольт.

Для конденсатора с параллельными пластинами емкость (C) связана с диэлектрической проницаемостью (ε), площадью поверхности (A) и расстоянием между пластинами (d):

[латекс] \ text {C} = \ frac {\ epsilon \ text {A}} {\ text {d}} [/ latex]

Напряжение (В) конденсатора зависит от расстояния между пластинами, диэлектрической проницаемости, площади поверхности проводника и заряда (Q) на пластинах:

[латекс] \ text {V} = \ frac {\ text {Qd}} {\ epsilon \ text {A}} [/ latex]

В зависимости от диэлектрической прочности (E ds ) и расстояния (d) между пластинами, конденсатор «сломается» при определенном напряжении (V bd ).Рассчитывается по:

[латекс] \ text {V} _ {\ text {bd}} = \ text {E} _ {\ text {ds}} \ text {d} [/ latex]

Параллельные пластины и эквипотенциальные линии : Краткий обзор параллельных пластин и эквипотенциальных линий с точки зрения электростатики.

Электрические поля и проводники

Электрические поля в присутствии проводников обладают несколькими уникальными и не обязательно интуитивно понятными свойствами.

Цели обучения

Описывать уникальные свойства, выражаемые электрическими полями в присутствии проводников

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Внутри заряженного проводника отсутствует электрическое поле.Это связано с тем, что заряды, которые расположены на поверхности проводника, симметрично противоположны друг другу и в сумме равны 0 во всех местах.
  • Заряженные поверхности выравниваются перпендикулярно электрическим полям для достижения электростатического равновесия. Если заряды не распределяются как таковые, они будут оказывать друг на друга общую силу, которая перемещает их. В таком случае заряды не будут находиться в статическом равновесии.
  • Кривизна поверхности поля позволяет увеличить концентрацию заряда.Большая часть зарядов отталкивания происходит в направлении от поверхности проводника, а не вдоль его поверхности. Таким образом, заряды слабее толкают друг друга по поверхности изогнутого проводника.
Ключевые термины
  • векторное поле : конструкция, в которой каждая точка в евклидовом пространстве связана с вектором; функция, диапазон которой является векторным пространством
  • равновесие : Состояние тела в состоянии покоя или равномерного движения, равнодействующая всех сил на котором равна нулю.

Электрическое поле, как и другие поля (например, гравитационные или магнитные), представляет собой векторное поле, окружающее объект. Электрические поля находятся вокруг электрических зарядов и помогают определить направление и величину силы, которую заряд оказывает на соседнюю заряженную частицу. Он измеряет единицы силы, прилагаемой к единице заряда, и его единицы СИ - N / C.

Линии поля, созданные точечным зарядом : Линии вокруг положительного заряда представляют электрическое поле, которое он создает.

Электрические проводники - это материалы, в которых внутренние заряды могут свободно перемещаться. Следовательно, они могут способствовать прохождению заряда или тока. Когда проводник помещается в электрическое поле, он проявляет некоторые интересные свойства:

  1. Внутри заряженного проводника отсутствует электрическое поле. Заряженный проводник в электростатическом равновесии будет содержать заряды только на своей внешней поверхности и не будет иметь внутри себя электрического поля. Это связано с тем, что все заряды в таком проводнике будут симметрично противостоять другим зарядам внутри проводника, в результате чего итоговый результат будет равен 0.
  2. Заряженные поверхности выравниваются перпендикулярно электрическим полям. Если проводник находится в электростатическом равновесии, электрическое поле на поверхности будет выровнено перпендикулярно этой поверхности. Если бы существовала ненулевая параллельная составляющая электрического поля по отношению к любому заряду на поверхности проводника, этот заряд проявил бы силу и переместился бы. Если проводник находится в равновесии, такая сила не может существовать, и поэтому направление электрического поля должно быть полностью перпендикулярно поверхности.
  3. Кривизна поверхности проводника позволяет увеличить концентрацию заряда. Заряд не обязательно будет равномерно распределяться по поверхности проводника. Если поверхность проводника плоская, заряд будет распределяться очень равномерно. Но по мере того, как поверхность становится более изогнутой, заряд может обнаруживаться более плотно упакованным на участках, даже если проводник находится в состоянии электростатического равновесия. Заряды на изогнутой поверхности отталкиваются друг от друга менее сильно, чем на гладкой поверхности.Это связано с тем, что в зависимости от того, как расположены заряды, большая часть отталкивания, которую они оказывают, происходит в направлении от поверхности проводника, а не вдоль его поверхности. И заряды оттолкнуть от поверхности сложнее, чем по ней. Следовательно, отталкивание между зарядами на искривленной поверхности слабее.

Электрический заряд на острой точке проводника : Силы отталкивания к более изогнутой поверхности справа направлены больше наружу, чем вдоль поверхности проводника.

Проводники и поля в статическом равновесии

В присутствии заряда или электрического поля заряды в проводнике будут перераспределяться, пока не достигнут статического равновесия.

Цели обучения

Описать поведение зарядов в проводнике в присутствии заряда или электрического поля и при статическом равновесии

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Присутствие заряда или электрического поля заставляет заряды в проводнике перераспределяться по поверхности проводника до тех пор, пока не будет достигнуто статическое равновесие.
  • В статическом равновесии заряд будет больше концентрироваться в острых, заостренных участках проводников, чем где-либо еще.
  • В статическом равновесии внутренняя часть проводника будет полностью защищена от внешнего электрического поля.
Ключевые термины
  • статическое равновесие : физическое состояние, в котором все компоненты системы находятся в покое, а результирующая сила равна нулю во всей системе

Проводники - это материалы, в которых заряды могут свободно перемещаться.Если проводники подвергаются воздействию заряда или электрического поля, их внутренние заряды быстро перестраиваются. Например, если нейтральный проводник соприкасается со стержнем, содержащим отрицательный заряд, часть этого отрицательного заряда передается проводнику в точке контакта. Но заряд не будет оставаться локальным в точке контакта - он будет равномерно распределяться по поверхности проводника. После перераспределения зарядов проводник находится в состоянии электростатического равновесия.Следует отметить, что распределение зарядов зависит от формы проводника и что статическое равновесие может не обязательно включать равномерное распределение зарядов, которые имеют тенденцию собираться в более высоких концентрациях вокруг острых точек. Это объясняется в.

.

Электрический заряд в острой точке проводника : Силы между одинаковыми зарядами на обоих концах проводника идентичны, но компоненты сил, параллельных поверхностям, различны. Компонент, параллельный поверхности, имеет наибольшее значение на самой плоской поверхности и поэтому более свободно перемещает заряды друг от друга.Это объясняет разницу в концентрации заряда на плоских и заостренных участках проводника.

Аналогично, если проводник помещен в электрическое поле, заряды внутри проводника будут перемещаться до тех пор, пока поле не станет перпендикулярным поверхности проводника. Отрицательные заряды в проводнике выравниваются по направлению к положительному концу электрического поля, оставляя положительные заряды на отрицательном конце поля. Таким образом, проводник становится поляризованным, электрическое поле становится сильнее вблизи проводника, но распадается внутри него.Это явление похоже на то, что наблюдается в клетке Фарадея, которая представляет собой корпус, сделанный из проводящего материала, который экранирует внутреннюю часть от внешнего электрического заряда или поля или экранирует внешнюю часть от внутреннего электрического заряда или поля.

Электрическое поле - Энциклопедия New World

Электромагнетизм
Электричество · Магнетизм
Магнитостатика
Магнитный поток · Закон Био – Савара · Магнитный дипольный момент · Закон Гаусса для магнетизма ·
70 · Максвелла 9047 90 473
Электродинамика
Закон силы свободного пространства 1 · Электромагнитная индукция · Закон Фарадея · Ток смещения · Уравнения Максвелла · Электромагнитное поле · Электромагнитное излучение · Потенциалы Льенарда-Вихерта · Ток Максвелла
9047 904 904 В физике пространство, окружающее электрический заряд, или в присутствии изменяющегося во времени магнитного поля имеет свойство, называемое электрическим полем (которое также можно приравнять к плотности электрического потока ).Это электрическое поле действует на другие электрически заряженные объекты. Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем.

Электрическое поле - это векторное поле с единицами системы СИ - ньютон на кулон (N C -1 ) или, что то же самое, вольт на метр (В · м -1 ). Напряженность поля в данной точке определяется как сила, которая будет приложена к положительному испытательному заряду в +1 кулон, помещенному в эту точку; направление поля определяется направлением этой силы.Электрические поля содержат электрическую энергию с плотностью энергии, пропорциональной квадрату напряженности поля. Электрическое поле заряжается так же, как гравитационное ускорение относится к массе, а плотность силы - к объему.

Движущийся заряд имеет не только электрическое, но и магнитное поле, и в целом электрическое и магнитное поля не являются полностью отдельными явлениями; то, что один наблюдатель воспринимает как электрическое поле, другой наблюдатель в другой системе отсчета воспринимает как смесь электрического и магнитного полей.По этой причине говорят об «электромагнетизме» или «электромагнитных полях». В квантовой механике возмущения в электромагнитных полях называются фотонами, а энергия фотонов квантуется.

Определение

Стационарная заряженная частица в электрическом поле испытывает силу, пропорциональную ее заряду, определяемую уравнением

F = q [−∇ϕ − ∂A∂t] {\ displaystyle \ mathbf {F} = q [- \ nabla \ phi - {\ frac {\ partial \ mathbf {A}} {\ partial t}}]}

, где плотность магнитного потока задается как

B = ∇ × A {\ displaystyle \ mathbf {B} = \ nabla \ times \ mathbf {A}}

и где −∇ϕ {\ displaystyle - \ nabla \ phi} - кулоновская сила.(См. Раздел ниже).

Электрический заряд является характеристикой некоторых субатомных частиц и квантуется, когда выражается как кратное так называемому элементарному заряду e. Электроны по соглашению имеют заряд -1, а протоны имеют противоположный заряд +1. Кварки имеют дробный заряд -1/3 или +2/3. Их эквиваленты-античастицы имеют противоположный заряд. Есть и другие заряженные частицы.

Обычно заряженные частицы одного знака отталкиваются друг от друга, а заряженные частицы разных знаков притягиваются.Количественно это выражается в законе Кулона, который гласит, что величина отталкивающей силы пропорциональна произведению двух зарядов и ослабевает пропорционально квадрату расстояния.

Электрический заряд макроскопического объекта - это сумма электрических зарядов составляющих его частиц. Часто чистый электрический заряд равен нулю, поскольку, естественно, количество электронов в каждом атоме равно количеству протонов, поэтому их заряды сокращаются. Ситуации, в которых чистый заряд не равен нулю, часто называют статическим электричеством.Кроме того, даже когда чистый заряд равен нулю, он может быть распределен неравномерно (например, из-за внешнего электрического поля), и тогда материал называется поляризованным, а заряд, связанный с поляризацией, известен как связанный заряд. (при этом внесенная извне превышенная плата называется бесплатной). Упорядоченное движение заряженных частиц в определенном направлении (в металлах это электроны) известно как электрический ток. Дискретная природа электрического заряда была предложена Майклом Фарадеем в его экспериментах по электролизу, а затем прямо продемонстрирована Робертом Милликеном в его эксперименте с каплей масла.

Единицей измерения количества электричества или электрического заряда в системе СИ является кулон, который представляет приблизительно 1,60 × 10 19 элементарных зарядов (заряд одного электрона или протона). Кулон определяется как количество заряда, прошедшего через поперечное сечение электрического проводника, несущего один ампер за одну секунду. Символ Q часто используется для обозначения количества электричества или заряда. Количество электрического заряда можно измерить непосредственно с помощью электрометра или косвенно с помощью баллистического гальванометра.

Формально мера заряда должна быть кратна элементарному заряду e (заряд квантуется), но, поскольку это средняя макроскопическая величина, на много порядков превышающая единичный элементарный заряд, она может эффективно принимать любой реальная стоимость. Более того, в некоторых контекстах имеет смысл говорить о долях заряда; например при зарядке конденсатора.

Если заряженную частицу можно рассматривать как точечный заряд, электрическое поле определяется как сила, которую она испытывает на единицу заряда:

E = Fq {\ displaystyle \ mathbf {E} = {\ frac {\ mathbf {F }} {q}}}

, где

F {\ displaystyle \ mathbf {F}} - электрическая сила , испытываемая частицей
q - ее заряд
E {\ displaystyle \ mathbf {E}} - это электрическое поле, в котором находится частица.

В буквальном смысле это уравнение определяет электрическое поле только в тех местах, где есть стационарные заряды, чтобы испытать его.Кроме того, сила, создаваемая другим зарядом q {\ displaystyle q}, изменит распределение источника, что означает, что электрическое поле в присутствии q {\ displaystyle q} отличается от самого себя в отсутствие q {\ displaystyle q}. Однако электрическое поле данного распределения источника остается определенным при отсутствии каких-либо зарядов, с которыми можно взаимодействовать. Это достигается путем измерения силы, прилагаемой к последовательно уменьшающимся пробным зарядам , размещенным вблизи источника распределения.Посредством этого процесса электрическое поле, создаваемое заданным распределением источников, определяется как предел, когда пробный заряд приближается к нулю силы на единицу заряда, приложенной к нему.

E = limq → 0Fq {\ displaystyle \ mathbf {E} = \ lim _ {q \ to 0} {\ frac {\ mathbf {F}} {q}}}

Это позволяет электрическому полю зависеть только от исходного дистрибутива.

Как ясно из определения, направление электрического поля совпадает с направлением силы, которую оно будет оказывать на положительно заряженную частицу, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательно заряженную частицу.{\ displaystyle \ mathbf {\ hat {r}}} - это единичный вектор, указывающий от частицы с зарядом Q к точке оценки электрического поля,

ε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}} - диэлектрическая проницаемость вакуума.

Закон Кулона на самом деле является частным случаем закона Гаусса, более фундаментального описания взаимосвязи между распределением электрического заряда в пространстве и результирующим электрическим полем. Закон Гаусса - одно из уравнений Максвелла, набор из четырех законов, управляющих электромагнетизмом.

Изменяющиеся во времени поля

Заряды создают не только электрические поля. При движении они генерируют магнитные поля, а если магнитное поле изменяется, оно генерирует электрические поля. Изменяющееся магнитное поле вызывает электрическое поле,

E = −∇ϕ − ∂A∂t {\ displaystyle \ mathbf {E} = - \ nabla \ phi - {\ frac {\ partial \ mathbf {A} } {\ partial t}}}

, что дает закон индукции Фарадея,

∇ × E = −∂B∂t {\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E} = - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}}

, где

∇ × E {\ displaystyle \ nabla \ times \ mathbf {E}} указывает изгиб электрического поля,
−∂B∂ t {\ displaystyle - {\ frac {\ partial \ mathbf {B}} {\ partial t}}} представляет вектор скорости уменьшения магнитного поля со временем.

Это означает, что магнитное поле, изменяющееся во времени, создает искривленное электрическое поле, которое, возможно, также изменяется во времени. Ситуация, в которой электрические или магнитные поля изменяются во времени, уже не электростатика, а скорее электродинамика или электромагнетизм.

Свойства (в электростатике)

Иллюстрация электрического поля, окружающего положительный (красный) и отрицательный (зеленый) заряд.

Согласно уравнению (1) выше, электрическое поле зависит от положения.Электрическое поле из-за любого отдельного заряда спадает как квадрат расстояния от этого заряда.

Электрические поля подчиняются принципу суперпозиции. Если присутствует более одного заряда, полное электрическое поле в любой точке равно векторной сумме соответствующих электрических полей, которые каждый объект создавал бы в отсутствие других.

Etotal = ∑iEi = E1 + E2 + E3… {\ displaystyle \ mathbf {E} _ {\ rm {total}} = \ sum _ {i} \ mathbf {E} _ {i} = \ mathbf { E} _ {1} + \ mathbf {E} _ {2} + \ mathbf {E} _ {3} \ ldots \, \!}

Если этот принцип распространяется на бесконечное число бесконечно малых элементов заряда, получается следующая формула:

E = 14πε0∫ρr2r ^ dV {\ displaystyle \ mathbf {E} = {\ frac {1} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ int {\ frac { \ rho} {r ^ {2}}} \ mathbf {\ hat {r}} \, \ mathrm {d} V}

, где

ρ {\ displaystyle \ rho} - плотность заряда или размер заряда за единицу объема.

Электрическое поле в точке равно отрицательному градиенту электрического потенциала в этой точке. В символах

E = −ϕ {\ displaystyle \ mathbf {E} = - \ nabla \ phi}

, где

ϕ (x, y, z) {\ displaystyle \ phi (x, y , z)} - скалярное поле, представляющее электрический потенциал в данной точке.

Если несколько пространственно распределенных зарядов генерируют такой электрический потенциал, например в твердом теле также может быть определен градиент электрического поля.

Учитывая диэлектрическую проницаемость ε {\ displaystyle \ varepsilon} материала, которая может отличаться от диэлектрической проницаемости свободного пространства ε0 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}, поле электрического смещения составляет:

D = εE { \ displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon \ mathbf {E}}

Энергия в электрическом поле

В электрическом поле накапливается энергия. Плотность энергии электрического поля определяется выражением

u = 12ε | E | 2 {\ displaystyle u = {\ frac {1} {2}} \ varepsilon | \ mathbf {E} | ^ {2}}

, где

ε {\ displaystyle \ varepsilon} - диэлектрическая проницаемость среды, в которой существует поле.
E {\ displaystyle \ mathbf {E}} - вектор электрического поля.{2}}} \ mathbf {\ hat {r}} = m \ mathbf {g}}

Это предполагает сходство между электрическим полем E {\ displaystyle E} и гравитационное поле g {\ displaystyle g}, поэтому иногда массу называют «гравитационным зарядом».

Сходства между электростатическими и гравитационными силами:

  1. Оба действуют в вакууме.
  2. Оба они центральные и консервативные.
  3. Оба подчиняются закону обратных квадратов (оба обратно пропорциональны квадрату r).
  4. Оба распространяются с конечной скоростью c.

Различия между электростатическими и гравитационными силами:

  1. Электростатические силы намного превосходят силы тяжести (примерно в 10 36 раз).
  2. Гравитационные силы притягивают одинаковые заряды, тогда как электростатические силы отталкивают одноименные заряды.
  3. Нет отрицательных гравитационных зарядов (нет отрицательной массы), но есть как положительные, так и отрицательные электрические заряды. Это различие в сочетании с предыдущим подразумевает, что гравитационные силы всегда притягивают, в то время как электростатические силы могут быть либо притягивающими, либо отталкивающими.
  4. Электрический заряд инвариантен, а релятивистская масса - нет.

См. Также

Ссылки

  • Gibilisco, Stan. 2005. Электричество демистифицировано. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. ISBN 0071439250.
  • Ефименко, Олег Д. 1989. Электричество и магнетизм: Введение в теорию электрических и магнитных полей. 2-е изд. Звездный городок: электретный науч. ISBN 0917406087.
  • Паркер, Э. Н.2007. Беседы об электрических и магнитных полях в Космосе. Принстонская серия по астрофизике, 11. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN 978-06412.
  • Янг, Хью Д. и Роджер А. Фридман. 2003. Физика для ученых и инженеров, , 11-е издание. Сан-Франциско: Пирсон. ISBN 080538684X.

Внешние ссылки

Все ссылки получены 18 сентября 2017 г.

Источники

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и завершили статью Википедия в соответствии со стандартами New World Encyclopedia .Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с указанием авторства. Кредит предоставляется в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на участников Энциклопедии Нового Света, участников, так и на самоотверженных добровольцев Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :

Примечание. могут применяться ограничения на использование отдельных изображений, на которые распространяется отдельная лицензия.

Учебное пособие по физике: Линии электрического поля

В предыдущем разделе Урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля. Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, напрямую связана с количеством заряда на заряде источника и обратно пропорционально расстоянию от источника заряда. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный тестовый заряд будет выталкиваться или вытягиваться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд.Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. В любом заданном месте стрелки указывают направление электрического поля, а их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на схеме ниже. Обратите внимание, что длины стрелок больше, когда они ближе к источнику заряда, и короче, когда они дальше от источника заряда.

Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля.Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, более полезно нарисовать узор из нескольких линий, которые проходят между бесконечностью и зарядом источника. Эти линии, иногда называемые линиями электрического поля , указывают в направлении, в котором положительный испытательный заряд будет ускоряться, если поместить их на линию. Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам.Для передачи информации о направлении поля каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Схема силовых линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий имеет тенденцию к снижению читабельности рисунков, количество линий обычно ограничено. Присутствия нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать природу электрического поля в пространстве, окружающем эти линии.


Правила построения диаграмм электрического поля

Существует множество условных обозначений и правил для рисования таких моделей линий электрического поля.Условные обозначения просто установлены для того, чтобы рисунки линий электрического поля передавали наибольший объем информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно из распространенных правил - окружать более заряженные объекты большим количеством линий. Предметы с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружив сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, с помощью линейной плотности.Это соглашение изображено на диаграмме ниже.

Плотность линий, окружающих любой данный объект, не только раскрывает информацию о количестве заряда в исходном заряде, но и плотность линий в определенном месте в пространстве раскрывает информацию о напряженности поля в этом месте. Рассмотрим объект, показанный справа. На разных расстояниях от источника заряда нарисованы два разных круглых сечения. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда.Силовые линии расположены ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они разбросаны дальше друг от друга в наиболее удаленных от заряда областях пространства. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы заключить, что электрическое поле наибольшее в местах, наиболее близких к поверхности заряда, и, по крайней мере, в местах, удаленных от поверхности заряда. Плотность линий в структуре силовых линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.

Второе правило рисования линий электрического поля включает рисование силовых линий, перпендикулярных поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает компонента электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности заряда источника, начал бы ускоряться.Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; это никогда не наблюдается в статическом электричестве . Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций из двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.

Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и соблазнительно нарушить) при рисовании линий электрического поля в ситуациях, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже).Если бы силовым линиям электрического поля было позволено пересекаться друг с другом в данном месте, вы могли бы представить себе результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и силе) электрического поля в определенной области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в данном месте, тогда должно быть два отчетливо разных значения электрического поля с их собственным индивидуальным направлением в этом заданном месте. Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и направление, связанное с ней.Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекать друг друга в любом заданном месте в пространстве.


Линии электрического поля для конфигураций из двух и более зарядов

В приведенных выше примерах мы видели силовые линии электрического поля в пространстве, окружающем точечные заряды. Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как можно описать электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.

Предположим, что есть два положительных заряда - заряд A (Q A ) и заряд B (Q B ) - в данной области пространства. Каждый заряд создает собственное электрическое поле. В любом заданном месте вокруг зарядов напряженность электрического поля можно рассчитать с помощью выражения kQ / d 2 . Поскольку есть два заряда, расчет kQ / d 2 необходимо будет выполнить дважды в каждом месте - один раз с kQ A / d A 2 и один раз с kQ B / d B 2 (d A - это расстояние от этого места до центра заряда A, а d B - расстояние от этого места до центра заряда B).Результаты этих вычислений проиллюстрированы на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E A и E B ), нарисованными в различных местах. Сила поля обозначается длиной стрелки, а направление поля обозначается направлением стрелки.

Поскольку электрическое поле является вектором, обычные операции, применяемые к векторам, могут быть применены к электрическому полю. То есть они могут быть добавлены по схеме «голова к хвосту» для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте.Это показано на схеме ниже.

Схема выше показывает, что величина и направление электрического поля в каждом месте - это просто векторная сумма векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше местоположений и процесс рисования E A , E B и E net повторяется, тогда напряженность и направление электрического поля во множестве местоположений будут известны. (Это не делается, поскольку это очень трудоемкая задача.В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию двух наших зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного числа точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это показано на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой данной точке.

Построение силовых линий электрического поля таким способом - утомительная и громоздкая задача.Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большим количеством операций). Какой бы метод ни использовался для определения рисунков силовых линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что образец является результатом рисунков для отдельных зарядов в конфигурации. Картины силовых линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.

На каждой из приведенных выше диаграмм заряды отдельных источников в конфигурации имеют одинаковую величину заряда.Имея одинаковое количество заряда, каждый исходный заряд имеет одинаковую способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, узор является симметричным по своей природе, и количество линий, исходящих от заряда источника или идущих к заряду источника, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный заряд источника, пропорциональна количеству заряда на этом заряде источника. Если количество заряда на исходном заряде не идентично, рисунок примет асимметричный характер, поскольку один из исходных зарядов будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства.Это показано на рисунках силовых линий электрического поля ниже.

После построения диаграмм линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие модели для других конфигураций. Есть ряд принципов, которые помогут в таких прогнозах. Эти принципы описаны (или повторно описаны) в списке ниже.

  • Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта к бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
  • Силовые линии электрического поля никогда не пересекаются.
  • Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим зарядом.
  • В местах, где силовые линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.

Линии электрического поля как невидимая реальность

В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, которое происходит между заряженными объектами.Понятие электрического поля было впервые введено физиком 19 века Майклом Фарадеем. Фарадей считал, что рисунок линий, характеризующий электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того чтобы мыслить в терминах влияния одного заряда на другой, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на пространство, которое его окружает. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве.С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда. Заряженный объект посылает свое электрическое поле в космос от «съемника до шкива». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную сеть влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Поэтому, когда вы практикуете упражнение по построению силовых линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии.Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая притягивает и отталкивает другие заряды, попадающие в нее.

Мы хотели бы предложить ... Иногда просто прочитать об этом недостаточно. Вы должны с ним взаимодействовать! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивных материалов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Положите заряд в цель» и / или интерактивного интерфейса «Линии электрического поля».Оба интерактивных компонента можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба Interactives обеспечивают увлекательную среду для исследования силовых линий электрического поля.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. На диаграммах ниже показаны несколько диаграмм направленности силовых линий электрического поля.Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так во всех неправильных схемах.

2. Эрин Агин нарисовала следующие силовые линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.


3. Рассмотрите силовые линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже.Из диаграммы видно, что объект A - ____, а объект B - ____.

Ковариантная формулировка
Электромагнитный тензор · EM Тензор энергии-напряжения · Четырехтоковый · Четырехпотенциальный ·

а. +, +

г. -, -

г. +, -

г. -, +

e. недостаточно информации


4.Рассмотрим линии электрического поля, нарисованные справа для конфигурации из двух зарядов. На схеме обозначено несколько мест. Расположите эти места в порядке убывания напряженности электрического поля - от наименьшего к наибольшему.



5. Используйте свое понимание силовых линий электрического поля для определения зарядов на объектах в следующих конфигурациях.


6.Наблюдайте за линиями электрического поля ниже для различных конфигураций. Ранжируйте предметы, у которых есть наибольшая величина электрического заряда, начиная с наименьшего заряда.

Physics4Kids.com: Электричество и магнетизм: электрические поля


Ученые поняли, почему силы действуют так, как они действуют при соприкосновении объектов.Их смущала идея, что силы 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 « поле ». Они представили себе, что вокруг объекта есть область, и все, что входит в нее, ощущает силу. Мы говорим, например, что Луна имеет вокруг себя гравитационное поле , и если вы приблизитесь к Луне, оно притянет вас к своей поверхности.Электрическое поле описывает необычную область возле любого электрически заряженного объекта. Ученые не используют слово «фанки», но оно работает. Его также можно было бы назвать электростатическим полем . Любой другой заряд, попавший в эту область, будет ощущать силу, и исходный объект также почувствует эту силу (Третий закон Ньютона). Это похоже на паука, сидящего в центре паутины.

Нормальное поле - это вектор, представленный стрелками. Гравитационное поле Земли (или любой планеты) можно было бы нарисовать в виде стрелок, указывающих на землю.Вектор поля показывает направление воздействия на объект, входящий в поле. Гравитация действует вниз.

Для электрического поля все немного сложнее, поскольку есть два вида зарядов, и некоторые комбинации притягивают , а другие отталкивают . Чтобы быть в согласии друг с другом, физики решили, что они всегда будут использовать положительные заряды для определения направления действия поля. Итак, если центральный заряд был положительным, и вы поместили рядом с ним еще один положительный заряд, этот второй заряд будет отталкиваться наружу.Таким образом, векторы поля центрального положительного заряда направлены наружу. Если центральный заряд отрицательный, положительный заряд, расположенный поблизости, будет притягиваться к центральному заряду, поэтому векторы поля для центрального отрицательного заряда направлены внутрь.

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

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




Или выполните поиск на сайтах по определенной теме.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Наличие электрического заряда создает силу для всех остальных зарядов. настоящее время.Электрическая сила производит действие на расстоянии; заряженные предметы могут влиять друг на друга, не касаясь. Предположим, два заряда, q 1 и q 2 , изначально находятся в состоянии покоя. Закон Кулона позволяет вычислить сила, прилагаемая зарядом q 2 к заряду q 1 (см. рисунок 23.1). В определенный момент заряд q 2 перемещается ближе к заряду q 1 . В результате мы ожидаем увеличения силы со стороны q 2 на q 1 .Однако это изменение не может произойти мгновенный (никакой сигнал не может распространяться быстрее скорости света). В заряды оказывают друг на друга силу посредством возмущений, которые они генерируются в окружающем их пространстве. Эти нарушения называются электрические поля . Каждый электрически заряженный объект генерирует электрический поле, которое пронизывает пространство вокруг и оказывает толкающее или тянущее действие всякий раз, когда он вступает в контакт с другими заряженными объектами. Электрическое поле E генерировало набором зарядов можно измерить, поместив точечный заряд q на заданный должность.В тестовом заряде будет ощущаться электрическая сила F . Электрический поле в месте нахождения точечного заряда определяется как сила F, деленная на заряд q :

Рисунок 23.1. Электрическая сила между двумя электрическими зарядами.

(23.1)

Определение электрического поля показывает, что электрическое поле представляет собой вектор поле: электрическое поле в каждой точке имеет величину и направление. В направление электрического поля - это направление, в котором положительный заряд помещенный в это положение будет двигаться.В этой главе расчет будет обсуждаться электрическое поле, создаваемое различными распределениями заряда.

Из определения электрического поля ясно, что для того, чтобы рассчитать напряженность поля, создаваемую распределением заряда, мы должны уметь чтобы вычислить полную электрическую силу, приложенную этим зарядом к испытательному заряду распределение.

Рисунок 23.2. Суперпозиция электрических сил. Предположим, что заряд q находится рядом с тремя другими зарядов, q 1 , q 2 и q 3 , как показано на рисунке 23.2. Закон Кулона можно использовать для расчета электрической силы между q и q 1 , между q и q 2 , и между q и q 3 . Эксперименты показали, что общая сила q 1 , q 2 и q 3 на q - векторная сумма отдельных сил:

(23,2)

Пример: Задача 23.30

Общее количество заряда Q равномерно распределено по тонкой прямой пластиковый стержень длиной L (см. рисунок 23.3).

а) Найдите электрическую силу, действующую на точечный заряд q, расположенный в точке P, в точке расстояние d от одного конца стержня (см. рисунок 23.3).

б) Найдите электрическую силу, действующую на точечный заряд q, расположенный в точке P ', в точке расстояние y от середины стержня (см. рисунок 23.3).

Рисунок 23.3. Проблема 23.30.

а) На рисунке 23.4 показана сила dF, действующая на точечный заряд q, расположенный в точке P, в результате кулоновского взаимодействия заряда q с небольшим сегментом стержень.Сила направлена ​​по оси x и имеет величину

. (23.3)

Рисунок 23.4. Соответствующие размеры для задачи 23.30a. Полная сила, действующая на заряд q, может быть найдена путем суммирования все отрезки стержня:

(23,4)

б) На рисунке 23.5 показана сила, действующая на заряд q, расположенный в точке P ', за счет двух заряженные сегменты стержня. Чистая сила dF, приложенная к q двумя сегментами стержня направлен по оси y (вертикальная ось) и имеет величину равно

(23.5)

Примечание: x-составляющая dF l отменяет x-составляющую dF r , поэтому результирующая сила, действующая на q, равна сумме y-компоненты dF l и dF r . Величина dF l и dF r могут быть получены из закона Кулона:

(23.6)

Рисунок 23.5. Соответствующий размер для задачи 23.30b Подставляя ур. (23.6) в ур.(23.5) получаем

(23,7)

Чистая сила, действующая на заряд q, может быть получена путем суммирования по всем сегментам стержня.

(23,8)

Уравнение (23.1) показывает, что электрическое поле, создаваемое зарядом распределение - это просто сила на единицу положительного заряда. Процедура измерить электрическое поле, изложенное во введении, предполагает, что все заряды, генерирующие электрическое поле, остаются неподвижными, в то время как вводится тестовый заряд.Чтобы избежать нарушения этих сборов, Обычно удобно использовать очень маленький тестовый заряд.

Пример: электрическое поле точечного заряда Q.

Пробный заряд, помещенный на расстоянии r от точечного заряда Q, испытает электрическая сила F c , заданная законом Кулона:

(23,9)

Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом Q, можно рассчитать по формуле подставив уравнение (23.9) в уравнение (23.1)

(23.10)

Пример: электрическое поле зарядного листа.

Предположим, что очень большой лист имеет однородную плотность заряда [сигма] Кулон на квадратный метр. Список обвинений можно рассматривать как составленный набор из множества концентрических колец, центрированных вокруг оси z (которая совпадает с месторасположением объекта интереса). Общая электрическая поле в этой точке может быть получено векторным сложением электрического поля генерируется всеми небольшими сегментами листа.На рисунке 23.6 показаны соответствующие размер, используемый для расчета электрического поля, создаваемого кольцом с радиусом r и ширина dr. Напряженность электрического поля, создаваемого каждым кольцом, равна направлена ​​по оси z и имеет прочность, равную

(23.11)

где dQ - заряд кольца, а z - координата z точки интерес. Заряд dQ можно выразить через r, dr и [сигма]

(23.12)

Рисунок 23.6. Электрическое поле над большим зарядным листом. Угол [theta] зависит от радиуса кольца и z-координата точки интереса

(23,13)

Подставляя уравнение (23.12) и уравнение (23.13) в уравнение (23.11), получаем

(23.14)

Полное электрическое поле можно найти, суммируя вклады всех колец составляющих ведомость начисления

(23.15)

Рисунок 23.7. Поле создается двумя большими параллельно заряженными тарелки. Уравнение (23.15) показывает, что однородное электрическое поле производится бесконечно большим заряженным листом. Однако во многих практических приложения, в которых требуется однородное электрическое поле, два параллельных заряда листы используются. Электрическое поле между двумя заряженными пластинами (с плотность заряда [сигма] и - [сигма]) может быть получена путем векторного сложения поля, создаваемые отдельными пластинами (см. рисунок 23.7):

(23.16)

Электрические поля над и под пластинами имеют противоположные направления (см. Рис. 23.7) и отмените. Следовательно, две заряженные пластины создают однородную электрическое поле, ограниченное областью между пластинами, и отсутствие электрического поля за пределами этого региона (примечание: это в отличие от одного заряженного листа, который создает электрическое поле повсюду).

Пример: Задача 23.26

Два больших листа бумаги пересекаются друг с другом под прямым углом.Каждый лист несет равномерное распределение положительного заряда [сигма] С / м 2 . Найдите величину электрического поля в каждом из четырех квадранты.

Рисунок 23.8. Проблема 23.26. Эту проблему легко решить, применив принцип суперпозиции электрических полей, генерируемых каждым листом индивидуально (см. рисунок 23.8). Напряженность электрического поля, создаваемого каждой пластиной дается уравнением (23.15). Направление электрического поля перпендикулярно к пластине и указывая от нее.Сила общего электрического поле в каждом квадранте равно

(23.17)

и его направление в каждом из четырех квадрантов показано на рисунке 23.8.

Электрическое поле можно представить графически в виде силовых линий. Эти строки нарисованы таким образом, что в данной точке касательная к прямой имеет направление электрического поля в этой точке. Плотность линий составляет пропорциональна величине электрического поля.Каждая полевая линия начинается на точечный положительный заряд и заканчивается точечным отрицательным зарядом. Поскольку плотность силовых линий пропорциональна напряженности электрического поля, количество линий, выходящих из положительного заряда, также должно быть пропорционально заряд. Примером силовых линий, генерируемых распределением зарядов, является показано на рисунке 23.9.

Рисунок 23.9. Электрическое поле, создаваемое двумя точечными зарядами q = + 4

Суммарная сила, действующая на нейтральный объект, помещенный в однородное электрическое поле, равна нуль.Однако электрическое поле может создавать чистый крутящий момент, если положительный и отрицательные заряды сосредоточены в разных местах объекта. An Пример показан на рисунке 23.10. На рисунке показан заряд Q, расположенный на одном конец стержня длиной L и заряд - Q, расположенный на противоположном конце стержень. Силы, действующие на два заряда, равны

. (23.18)

Рисунок 23.10. Электрический диполь в электрическом поле. Ясно, что результирующая сила, действующая на систему, равна нулю.Крутящий момент двух сил по отношению к центру стержня задается по

(23,19)

В результате этого крутящего момента стержень будет вращаться вокруг своего центра. Если [theta] = 0 град. (стержень совмещен с полем) крутящий момент будет равен нулю.

Распределение заряда в теле можно охарактеризовать параметром называется дипольным моментом p. Дипольный момент стержня показан на рисунке 23.10. определяется как

(23.20)

В общем случае дипольный момент - это вектор, направленный от отрицательной заряд в сторону положительного заряда. Используя определение дипольного момента из уравнения (23.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *