Содержание

Электрическое поле - это... Что такое Электрическое поле?

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Сила Лоренца описывает воздействие электромагнитного поля на частицу.

Эффект поля заключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

Энергия электрического поля

Электрическое поле обладает энергией. Плотность этой энергии определяется величиной поля и может быть найдена по формуле

где E — напряжённость электрического поля, D — индукция электрического поля.

Классификация

Однородное поле

Направление линий напряжённости между двумя разнозаряженными пластинами

Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.

Наблюдение электрического поля в быту

Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные чистые волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана (относится к телевизорам с ЭЛТ) при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.

Электрическое поле внутри проводников с избыточными зарядами

Из опытов, приводимых в электростатике, известно, что избыточные заряды привнесённые в проводник извне, перемещаются к поверхности проводника и остаются у поверхности проводника. Само перемещение избыточных зарядов к поверхности проводника свидетельствует о наличии электрического поля внутри проводника в период перемещения к поверхности проводника.

Электрическое поле внутри проводников с недостатком собственных электронов

При недостатке собственных электронов тело получает положительный заряд «дырочной» природы. Дырки при этом ведут себя подобно электронам и также распределяются по поверхности тела.

См. также

Литература

  • Орир, Джей — Популярная физика: [пер. с англ.].: Мир, 1966. — 446 с.
  • Учебник «Элементарный учебник физики» под ред. Ландсберга Г. С., Часть 2 (Электричество и магнетизм.)
  • Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990.—478 с.: ил. ISBN 5-06-001540-8
В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

dic.academic.ru

Электростатическое поле — Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия — статья

Электростати́ческое по́ле, электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними.

Электростатическое поле характеризуется напряженностью электрического поляЕ, которая является его силовой характеристикой: Напряженность электростатического поля показывает, с какой силой электростатическое поле действует на единичный положительный электрический заряд, помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Электростатическое поле является стационарным (постоянным), если его напряженность не изменяется с течением времени. Стационарные электростатические поля создаются неподвижными электрическими зарядами.

Электростатическое поле однородно, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля, если вектор напряженности в различных точках различается, поле неоднородно. Однородными электростатическими полями являются, например, электростатические поля равномерно заряженной конечной плоскости и плоского конденсатора вдали от краев его обкладок.Одно из фундаментальных свойств электростатического поля заключается в том, что работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от траектории движения, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда. Следовательно, работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными. То есть электростатическое поле - это потенциальное поле, энергетической характеристикой которого является электростатический потенциал, связанным с вектором напряженности Е соотношением:

Е = -gradj.

Для графического изображения электростатического поля используют силовые линии (линии напряженности) — воображаемые линии, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в каждой точке поля.Для электростатических полей соблюдается принцип суперпозиции. Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. Напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженности полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Всякий заряд в окружающем его пространстве создает электростатическое поле. Чтобы обнаружить поле в какой-либо точке, надо поместить в точку наблюдения точечный пробный заряд — заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле).

Поле, создаваемое уединенным точечным зарядом q, является сферически симметричным. Модуль напряженности уединенного точечного заряда в вакууме с помощью закона Кулона можно представить в виде:

Е = q/4peоr2.

Где eо — электрическая постоянная, = 8, 85.10-12Ф/м.

Закон Кулона, установленный при помощи созданных им крутильных весов (см. Кулона весы), — один из основных законов, описывающих электростатическое поле. Он устанавливает зависимость между силой взаимодействия зарядов и расстоянием между ними: сила взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.Эту силу называют кулоновской, а поле — кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q ? раз (? — диэлектрическая проницаемость среды) меньше, чем в вакууме.Экспериментально установленные закон Кулона и принцип суперпозиции позволяют полностью описать электростатическое поле заданной системы зарядов в вакууме. Однако, свойства электростатического поля можно выразить в другой, более общей форме, не прибегая к представлению о кулоновском поле точечного заряда. Электрическое поле можно характеризовать значением потока вектора напряженности электрического поля, который можно рассчитать в соответствии с теоремой Гаусса. Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком напряженности электрического поля через замкнутую поверхность и зарядом внутри этой поверхности. Поток напряженности зависит от распределения поля по поверхности той или иной площади и пропорционален электрическому заряду внутри этой поверхности.Если изолированный проводник поместить в электрическое поле, то на свободные заряды
q
в проводнике будет действовать сила. В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, компенсирует полностью внешнее поле, т. е. установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в ноль: во всех точках внутри проводника Е = 0, то есть поле отсутствует. Силовые линии электростатического поля вне проводника в непосредственной близости к его поверхности перпендикулярны поверхности. Если бы это было не так, то имелась бы составляющая напряженности поля, вдоль поверхности провод­ника и по поверхности протекал бы ток. Заряды располагаются только на поверхности проводника, при этом все точки поверхности проводника имеют одно и то же значение потенциала. Поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью. Если в проводнике есть полость, то электрическое поле в ней также равно нулю; на этом основана электростатическая защита электрических приборов.Если в электростатическое поле поместить диэлектрик, то в нем происходит процесс поляризации — процесс ориентации диполей или появление под воздействием электрического поля ориентированных по полю диполей. В однородном диэлектрике электростатическое поле вследствие поляризации (см. Поляризация диэлектриков) убывает в ? раз.

megabook.ru

Свойства и основные характеристики электрических полей

Свойства и характеристики электрического поля изучают почти все технические специалисты. Но университетский курс часто бывает написан сложным и непонятным языком. Поэтому в рамках статьи доступно будут описаны характеристики электрических полей, чтобы в них мог разобраться каждый человек. Кроме этого, отдельное внимание мы уделим взаимосвязанным понятиям (суперпозиция) и возможностям развития данной сферы физики.

Общая информация

Согласно современным представлениям, электрические заряды между собой не взаимодействуют непосредственно. Из этого вытекает интересная особенность. Так, каждое заряженное тело имеет своё электрическое поле в окружающем пространстве. Оно оказывает влияние на другие субъекты. Характеристики электрических полей представляют для нас тот интерес, что они показывают воздействие поля на электрические заряды и силу, с которой оно осуществляется. Какой из этого можно сделать вывод? Заряженные тела не оказывают взаимного непосредственного воздействия. Для этого используются электрические поля. Как их можно исследовать? Для этого можно воспользоваться пробным зарядом – небольшим точечным пучком частиц, что не окажет заметного влияния на сложившуюся структуру. Так какие величины являются характеристиками электрического поля? Всего их три: напряженность, напряжение и потенциал. Каждая из них имеет свои особенности и сферы влияния на частицы.

Электрическое поле: что это такое?

Но прежде чем переходить к основному предмету статьи, необходимо иметь определённый багаж знаний. Если они есть, то эту часть можно уверенно пропустить. Первоначально давайте рассмотрим вопрос причины существования электрического поля. Для того чтобы оно было, необходим заряд. Причем свойства пространства, в котором пребывает заряженное тело, должно отличаться от тех, где его нет. Здесь есть такая особенность: если в определённую систему координат поместить заряд, то изменения произойдут не мгновенно, а только с определённой скоростью. Они будут, подобно волнам, распространяться в пространстве. Это будет сопровождаться появлением механических сил, что действуют на другие носители в этой системе координат. И тут мы подходим к главному! Возникающие силы являются результатом не непосредственного влияния, а взаимодействия через среду, которая качественно изменилась. Пространство, в котором и происходят подобные изменения, и называется электрическим полем.

Особенности

Заряд, расположенный в электрическом поле, двигается в направлении силы, что действует на него. Является ли возможным достижение состояния покоя? Да, это вполне реально. Но для этого силу электрического поля должно уравновешивать какое-то иное влияние. Как только происходит нарушение равновесия, заряд снова начинает двигаться. Направление в данном случае будет зависеть от большей силы. Хотя если их много – конечный результат будет чем-то сбалансированным и универсальным. Чтобы лучше представлять, с чем приходится работать, изображают силовые линии. Их направления соответствуют действующим силам. Следует отметить, что силовые линии обладают и началом, и концом. Иными словами, они не замыкаются на себе. Начинаются они на положительно заряженных телах, а заканчиваются на отрицательных. Это не всё, более детально о силовых линиях, их теоретической подоплеке и практической реализации мы поговорим немного дальше по тексту и рассмотрим их вместе с законом Кулона.

Напряженность электрического поля

Эта характеристика используется для того, чтобы количественно определить электрическое поле. Это довольно сложно для понимания. Эта характеристика электрического поля (напряженность) является физической величиной, равной отношению силы действия на положительный пробный заряд, что размещен в определённой точке пространства, к его величине. Тут есть один особенный аспект. Эта физическая величина является векторной. Её направление совпадает с направлением силы, которая действует на положительный пробный заряд. Также следует ответить на один весьма распространённый вопрос и отметить, что силовой характеристикой электрического поля является именно напряженность. А что происходит с неподвижными и не меняющимися субъектами? Их электрическое поле считается электростатическим. При работе с точечным зарядом и исследовании напряженности интерес предоставляют силовые линии и закон Кулона. Какие особенности здесь существуют?

Закон Кулона и силовые линии

Силовая характеристика электрического поля в этом случае работает только для точечного заряда, что находится на расстоянии определённого радиуса от него. А если взять это значение по модулю, то у нас будет кулоновское поле. В нём направление вектора напрямую зависит от знака заряда. Так, если он является плюсовым, то поле будет «передвигаться» по радиусу. В противоположной ситуации вектор будет направлен непосредственно к самому заряду. Для наглядного понимания того, что и как происходит, можно найти и ознакомиться с рисунками, где изображены силовые линии. Основные характеристики электрического поля в учебниках хотя и довольно сложно объясняются, но рисунки, следует им отдать должное, в них качественные. Правда следует отметить такую особенность книг: при построении рисунков силовых линий их густота является пропорциональной модулю вектора напряженности. Эта небольшая подсказка, которая может оказать очень существенную помощь при контроле знаний или экзамене.

Потенциал

Заряд всегда движется, когда нет уравновешивания сил. Это говорит нам о том, что в таком случае электрическое поле обладает потенциальной энергией. Иными словами – оно может совершать какую-то работу. Давайте рассмотрим небольшой пример. Электрическое поле переместило заряд из точки А в Б. Как результат, наблюдается уменьшение потенциальной энергии поля. Это происходит из-за того, что была совершена работа. Эта силовая характеристика электрического поля не изменится, если перемещение было совершено под сторонним влиянием. В таком случае потенциальная энергия будет не уменьшаться, а увеличиваться. Причем данная физическая характеристика электрического поля изменится прямо пропорционально приложенной сторонней силе, что переместила заряд в электрическом поле. Следует отметить, что в этом случае вся совершаемая работа будет израсходована на увеличение потенциальной энергии. Для понимания темы давайте разберём следующий пример. Итак, у нас есть положительный заряд. Он расположен за пределами электрического поля, что рассматривается. Благодаря этому воздействие настолько мало, что его можно проигнорировать. Возникает сторонняя сила, что вносит заряд в электрическое поле. Ею же совершается работа, необходимая для перемещения. При этом преодолеваются силы поля. Таким образом, возникает потенциал действий, но уже в самом электрическом поле. Следует отметить, что это может быть неоднородный показатель. Так, энергия, что относится к каждой конкретной единице положительного заряда, называется потенциалом поля в этой точке. Он численно равен работе, которая была совершена сторонней силой для перемещения субъекта к данному месту. Потенциал поля измеряют в вольтах.

Напряжение

В любом электрическом поле можно наблюдать, как положительные заряды «мигрируют» от точек с высоким потенциалом к тем, что имеют низкие показатели данного параметра. Отрицательные следуют по этому пути в обратном направлении. Но в обоих случаях это происходит только благодаря наличию потенциальной энергии. Из неё высчитывается напряжение. Для этого необходимо знать величину, на которую стала меньшей потенциальная энергия поля. Напряжение же численно равно работе, которая была совершена для переноса положительного заряда между двумя конкретными точками. Из этого можно заметить интересное соответствие. Так, напряжение и разность потенциалов в данном случае являются одной и той же физической сущностью.

Суперпозиция электрических полей

Итак, нами были рассмотрены основные характеристики электрического поля. Но чтобы лучше разбираться в теме, предлагаем дополнительно рассмотреть ещё ряд параметров, которые могут иметь важность. И начнём мы с суперпозиции электрических полей. Ранее нами рассматривались ситуации, по условию которых был только один определённый заряд. Но ведь в полях их огромное количество! Поэтому, рассматривая приближенную к реальности ситуацию, давайте представим, что у нас есть несколько зарядов. Тогда выходит, что на пробный субъект будут действовать силы, которые подчиняются правилу сложения векторов. Также принцип суперпозиции говорит о том, что сложное движение поддаётся разделению на два или большее количество простых. Разрабатывать реалистическую модель движения невозможно без учета суперпозиции. Иными словами, на рассматриваемую нами частицу в существующих условиях влияют различные заряды, каждый из которых имеет своё электрическое поле.

Использование

Следует отметить, что сейчас возможности электрического поля используются не на полную силу. Даже, правильней сказать, его потенциал нами почти не применяется. В качестве практической реализации возможностей электрического поля можно привести люстру Чижевского. Ранее, в середине прошлого столетия, человечество начало осваивать космос. Но перед учеными стояло много нерешенных вопросов. Один из них – это воздух и вредоносные его компоненты. За решение этой проблемы взялся советский ученый Чижевский, которого одновременно интересовала энергетическая характеристика электрического поля. И следует отметить, что у него получилось действительно хорошая разработка. В основу этого прибора была положена техника создания аэроионных потоков воздуха благодаря небольшим разрядам. Но в рамках статьи нас интересует не столько само устройство, как принцип его работы. Дело в том, что для функционирования люстры Чижевского использовался не стационарный источник питания, а именно электрическое поле! Для концентрации энергии использовались специальные конденсаторы. Значительно на успешность работы прибора влияла энергетическая характеристика электрического поля окружающей обстановки. То есть это устройство разрабатывалось специально для космических кораблей, которые буквально напичканы электроникой. Питалось же оно от результатов деятельности других приборов, подключенных к постоянным источникам питания. Следует отметить, что направление не было заброшено, и возможность брать энергию от электрического поля исследуется и сейчас. Правда, необходимо отметить, что значительных успехов пока что достичь не удалось. Также необходимо отметить и относительно небольшую масштабность проводимых исследований, и то, что большую часть их при этом выполняют изобретатели-добровольцы.

На что влияют характеристики электрических полей?

Зачем необходимо их изучать? Как уже говорилось ранее, характеристиками электрического поля являются напряженность, напряжение и потенциал. В жизни обычного рядового человека эти параметры не могут похвастаться значительным влиянием. Но когда возникают вопросы о том, что следует сделать что-то крупное и сложное, то не учитывать их – непозволительная роскошь. Дело в том, что излишнее количество электронных полей (или их чрезмерная сила) приводит к тому, что возникают помехи при передаче сигналов техникой. Это ведёт к искажению передаваемой информации. Следует отметить, что это не единственная проблема данного типа. Кроме белых шумов техники, излишне сильные электронные поля могут негативно влиять и на работу человеческого организма. Следует отметить, что небольшая ионизация помещения всё же считается благом, поскольку способствует оседанию пыли на поверхностях человеческого жилища. Но если посмотреть, сколько всевозможной техники (холодильники, телевизоры, бойлеры, телефоны, системы электроэнергии и так далее) есть в наших домах, то можно сделать вывод, что это, увы, не полезно для нашего здоровья. Следует отметить, что невысокие характеристики электрических полей нам почти не вредят, поскольку к космическому излучению человечество уже давно привыкло. Но вот относительно электроники так сложно сказать. Конечно, отказаться от всего этого не получится, но можно успешно минимизировать негативное влияние электрических полей на человеческий организм. Для этого, кстати, достаточно применять принципы энергетически эффективного использования техники, которые предусматривают минимизацию времени работы механизмов.

Заключение

Мы рассмотрели, какая физическая величина является характеристикой электрического поля, где что используется, каков потенциал разработок и применение их в повседневной жизни. Но всё же хочется добавить немного заключительных слов о рассмотренной теме. Следует отметить, что ими интересовалось достаточно большое количество людей. Один из наиболее заметных следов в истории оставил известный сербский изобретатель Николай Тесла. Ему в этом удалось достичь немалых успехов относительно реализации задуманного, но, увы, не в плане энергетической эффективности. Поэтому, если есть желание поработать в этом направлении – неоткрытых возможностей очень много.

fb.ru

Электрическое поле – FIZI4KA

Электродинамика – раздел физики, изучающий свойства и взаимодействия электрических зарядов, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

Электростатикой называется раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел или частиц.

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между электрически заряженными частицами или макротелами.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого мал по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие.

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.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует.

Электрические заряды взаимодействуют:

  • заряды одного знака отталкиваются:

  • заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Закон сохранения электрического заряда

Систему называют замкнутой (электрически изолированной), если в ней не происходит обмена зарядами с окружающей средой.

В любой замкнутой (электрически изолированной) системе сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри нее.

Полный электрический заряд ​\( (q) \)​ системы равен алгебраической сумме ее положительных и отрицательных зарядов ​\( (q_1, q_2 … q_N) \)​:

Важно!
В природе не возникают и не исчезают заряды одного знака: положительный и отрицательный заряды могут взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны по модулю.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

где ​\( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \)​ (Н·м2)/Кл2 – коэффициент пропорциональности,
​\( \varepsilon_0=8.85\cdot10^{-12} \)​ Кл2/(Н·м2) – электрическая постоянная.

Коэффициент ​\( k \)​ численно равен силе, с которой два точечных заряда величиной 1 Кл каждый взаимодействуют в вакууме на расстоянии 1 м.

Сила Кулона направлена вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Заряды взаимодействуют друг с другом с силами, равными по величине и противоположными по направлению.

Значение силы Кулона зависит от среды, в которой они находятся. В этом случае формула закона:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Закон Кулона применим к взаимодействию

  • неподвижных точечных зарядов;
  • равномерно заряженных тел сферической формы.

В этом случае ​\( r \)​ – расстояние между центрами сферических поверхностей.

Важно!
Если заряженное тело протяженное, то его необходимо разбить на точечные заряды, рассчитать силы их попарного взаимодействия и найти равнодействующую этих сил (принцип суперпозиции).

Действие электрического поля на электрические заряды

Электрическое поле – это особая форма материи, существующая вокруг электрически заряженных тел.

Впервые понятие электрического поля было введено Фарадеем. Он объяснял взаимодействие зарядов следующим образом: каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое с некоторой силой действует на другой заряд.

Свойства электрического поля заключаются в том, что оно:

  • материально;
  • создается зарядом;
  • обнаруживается по действию на заряд;
  • непрерывно распределено в пространстве;
  • ослабевает с увеличением расстояния от заряда.

Действие заряженного тела на окружающие тела проявляется в виде сил притяжения и отталкивания, стремящихся поворачивать и перемещать эти тела по отношению к заряженному телу.

Силу, с которой электрическое поле действует на заряд, можно рассчитать по формуле:

где ​\( \vec{E} \)​ – напряженность электрического поля, ​\( q \)​ – заряд.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов механики с учетом закона Кулона и вытекающих из него следствий.

Алгоритм решения задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним:

  • сделать рисунок; указать силы, действующие на точечный заряд, помещенный в электрическое поле;
  • записать для заряда условие равновесия или основное уравнение динамики материальной точки;
  • выразить силы электрического взаимодействия через заряды и поля и подставить эти выражения в исходное уравнение;
  • если при взаимодействии заряженных тел между ними происходит перераспределение зарядов, к составленному уравнению добавить уравнение закона сохранения зарядов;
  • записать математически все вспомогательные условия;
  • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
  • проверить решение

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля ​\( \vec{E} \)​ – векторная физическая величина, равная отношению силы ​\( F \)​, действующей на пробный точечный заряд, к величине этого заряда ​\( q \)​:

Обозначение – \( \vec{E} \), единица измерения в СИ – Н/Кл или В/м.

Напряженность поля точечного заряда в вакууме вычисляется по формуле:

где \( k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=9\cdot10^9 \) (Н·м2)/Кл2,
​\( q_0 \)​ – заряд, создающий поле,
​\( r \)​ – расстояние от заряда, создающего поле, до данной точки.

Напряженность поля точечного заряда в среде вычисляется по формуле:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость среды.

Важно!
Напряженность электрического поля не зависит от величины пробного заряда, она определяется величиной заряда, создающего поле.

Направление вектора напряженности в данной точке совпадает с направлением силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку.

Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке направлена вдоль вектора напряженности ​\( \vec{E} \)​.

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных электрических зарядах и заканчиваются на отрицательных электрических зарядах или уходят в бесконечность от положительного заряда и приходят из бесконечности к отрицательному заряду.

Распределение линий напряженности вокруг положительного и отрицательного точечных зарядов показано на рисунке.

Определяя направление вектора ​\( \vec{E} \)​ в различных точках пространства, можно представить картину распределения линий напряженности электрического поля.

Поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке, называется однородным электрическим полем. Однородным можно считать электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.

Принцип суперпозиции электрических полей

Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов.

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы ​\( N \)​ зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

Электрические поля от разных источников существуют в одной точке пространства и действуют на заряд независимо друг от друга.

Потенциальность электростатического поля

Электрическое поле с напряженностью ​\( \vec{E} \)​ при перемещении заряда ​\( q \)​ совершает работу. Работа ​\( A \)​ электростатического поля вычисляется по формуле:

где ​\( d \)​ – расстояние, на которое перемещается заряд,
​\( \alpha \)​ – угол между векторами напряженности электрического поля и перемещения заряда.

Важно!
Эта формула применима для нахождения работы только в однородном электростатическом поле.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением заряда.

Потенциальным называется поле, работа сил которого по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

Важно!
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным.

Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. В электродинамике энергию принято обозначать буквой ​\( W \)​, так как буквой ​\( E \)​ обозначают напряженность поля:

Потенциальная энергия заряда ​\( q \)​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов вычисляется относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии поля силы тяжести). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства при решении задачи.

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда.

Обозначение – ​\( \varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Потенциал \( \varphi \) является энергетической характеристикой электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, которую совершает электрическая сила при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение – ​\( \Delta\varphi \)​, единица измерения в СИ – вольт (В).

Иногда разность потенциалов обозначают буквой ​\( U \)​ и называют напряжением.

Важно!
Разность потенциалов \( \Delta\varphi=\varphi_1-\varphi_2 \), а не изменение потенциала \( \Delta\varphi=\varphi_2-\varphi_1 \). Тогда работа электростатического поля равна:

Важно!
Эта формула позволяет вычислить работу электростатических сил в любом поле.

В электростатике часто вычисляют потенциал относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​\( q \)​ в точке, удаленной от него на расстояние ​\( r \)​, вычисляется по формуле:

Для наглядного представления электрического поля используют эквипотенциальные поверхности.

Важно!
Внутри проводящего шара потенциал всех точек внутри шара равен потенциалу поверхности шара и вычисляется по формуле потенциала точечного заряда (​\( r =R \)​, где ​\( R \)​ – радиус шара). Напряженность поля внутри шара равна нулю.

Эквипотенциальной поверхностью, или поверхностью равного потенциала, называется поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

  • Вектор напряженности перпендикулярен эквипотенциальным поверхностям и направлен в сторону убывания потенциала.
  • Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей. Для точечного заряда эквипотенциальные поверхности представляют собой концентрические окружности.

Разность потенциалов и напряженность связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Потенциал результирующего поля равен сумме потенциалов полей отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а напряженности – по правилу сложения векторов.

Решение задач о точечных зарядах и системах, сводящихся к ним, основано на применении законов сохранения, теоремы об изменении кинетической энергии заряда с учетом работы электростатических сил.

Алгоритм решения таких задач:

  • установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
  • ввести характеристики (силовые и энергетические) этих взаимодействий, сделать рисунок;
  • записать законы сохранения и движения для объектов;
  • выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряженности;
  • составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
  • проверить решение.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называют вещества, в которых может происходить упорядоченное перемещение электрических зарядов, т. е. протекать электрический ток.

Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот, ионизованные газы. В проводниках есть свободные электрические заряды. В металлах валентные электроны взаимодействующих друг с другом атомов становятся свободными.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыточный отрицательный заряд, а на противоположной – избыточный положительный заряд.

Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды расположены на поверхности проводника.

Важно!
Если внутри проводника есть полость, то напряженность в ней будет равна нулю независимо от того, какое поле имеется вне проводника и как заряжен проводник. Внутренняя полость в проводнике экранирована (защищена) от внешних электростатических полей. На этом основана электростатическая защита.

Явление перераспределения зарядов во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Заряды, разделенные электростатическим полем, взаимно компенсируют друг друга, если проводник удалить из поля. Если такой проводник разрезать, не вынося из поля, то его части будут иметь заряды разных знаков.

Важно!
Во всех точках поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно к его поверхности. Поверхность проводника является эквипотенциальной (потенциалы всех точек поверхности проводника равны).

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение – ​\( C \)​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

Формула для вычисления электроемкости:

где ​\( q \)​ – заряд проводника, ​\( \varphi \)​ – его потенциал.

Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​\( q \)​ – модуль заряда одной из обкладок,
​\( U \)​ – разность потенциалов между обкладками.

Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​\( S \)​, находящиеся на расстоянии ​\( d \)​ друг от друга.

Электроемкость плоского конденсатора:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,
\( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначается:

Виды конденсаторов:

  • по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
  • по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
  • по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

Конденсаторы можно соединять между собой.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

Общая емкость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

Общее напряжение:

Величина, обратная общей емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

Важно!
Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости.

Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить, чтобы зарядить конденсатор.

Электрическая энергия конденсатора сосредоточена в пространстве между обкладками конденсатора, то есть в электрическом поле, поэтому ее называют энергией электрического поля. Формулы для вычисления энергии электрического поля:

Так как напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению, то энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряженности.

Плотность энергии электрического поля:

где ​\( V \)​ – объем пространства между обкладками конденсатора.

Плотность энергии не зависит от параметров конденсатора, а определяется только напряженностью электрического поля.

Основные формулы раздела «Электрическое поле»

Электрическое поле

Оценка

fizi4ka.ru

Электрическое поле: тела, характеристики, история

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

Взаимодействие заряженных тел

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

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

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

    Силовые линии электрического поля

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

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

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

Характеристики электрического поля

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

Электрический потенциал

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

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

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

Электрический потенциал. Градиент «взбирается в гору»

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

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

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

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

Краткая история развития электрического поля

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

    Георг Ом

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

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

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

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

Использование электрического поля

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

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

vashtehnik.ru

Электрическое поле определение

Закон Кулона

Заряды, распределенные на телах, размеры которых значительно меньше расстояний между ними, можно называть точечными, т. к. в этом случае ни форма, ни размеры тел существенно не влияют на взаимодействия между ними.

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Силы электростатического взаимодействия зависят от формы и размеров взаимодействующих тел и характера распределения зарядов на них.

Силы взаимодействия двух точечных неподвижных заряженных тел в вакууме прямо пропорциональна произведению абсолютных значений зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Если тела находятся в среде с диэлектрической проницаемостью

, тогда сила взаимодействия будет ослабляться враз

Силы взаимодействия двух точечных неподвижных тел направлены вдоль прямой, соединяющей эти тела.

Единицей электрического заряда в международной системе принят кулон. 1 Кл – это заряд, проходящий за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.

Коэффициент пропорциональности в выражении закона кулона в системе СИ равен

Вместо него часто используется коэффициент, называемыйэлектрической постоянной

С использованием электрической постоянной закон кулона имеет вид

Если имеется система точечных зарядов, то сила, действующая на каждый из них, определяется как векторная сумма сил, действующих на данный заряд со стороны всех других зарядов системы. При этом сила взаимодействия данного заряда с каким-то конкретным зарядом рассчитывается так, как будто других зарядов нет (принцип суперпрозиции).

  1. Электрическое поле. (определение, напряженность, потенциал, рисунок эл.Поля) Электрическое поле

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.

Электрическое поле заряда – материальный объект, оно непрерывно вы пространстве и способна действовать на другие электрические заряды. 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. Силовой характеристикой электрического поля служит напряженность E. Если на находящийся в некоторой точке заряд q0 действует сила F, то напряженность электрического поля Е равна: Е=F/q0. 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.

Если на заряд действуют одновременно несколько электрических полей, то напряженность поля равна векторной сумме напряженностей всех полей (принцип суперпозиции):

StudFiles.ru>

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ это:

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ 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. Согласно Фарадею, каждый покоящийся заряд создаёт в окружающем пр-ве Э. п. Поле одного заряда действует на другой заряд и наоборот; так осуществляется вз-ствие зарядов (концепция близкодействия). Осн. количеств. хар-ка Э. п.— напряжённость электрического поля Е, к-рая в данной точке пр-ва определяется отношением силы F, действующей на заряд, помещённый в эту точку, к величине заряда q:E=F/q. Э. п. в среде наряду с напряжённостью характеризуется вектором электрической индукции D. Распределение Э. п. в пр-ве можно изображать с помощью силовых линий напряжённости Э. п. Силовые линии потенц. Э. п., порождаемого электрич. зарядами, начинаются на положит. зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность). Силовые линии вихревого Э. п., порождаемого перем. магн. полем, замкнуты.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

-векторное поле, определяющее силовое воздействие на заряж. частицы, не зависящее от их скоростей. Э. п. является одной из компонент единого электромагнитного поля.

В электродинамич. вакууме свойства Э. п. полностью описываются напряжённостью электрического поля Е (t, r).

Сила, действующая на заряд q со стороны Э. F=qE. Кроме того, на движущийся заряд действует ещё и сила со стороны магнитного поля (см. Лоренца сила).

Различают потенциальную Е р и вихревую (соленоидаль-ную) Es компоненты Э. E=Ep + Es). Источником по-тенц. полей являются заряды:

где r- плотность электрич. заряда.

Вихревая составляющая Э.

где В -магнитной индукции вектор.

При макроскопич. описании эл.-магн. явлений в материальных средах силовой характеристикой Э. п. остаётся вектор напряжённости E(t,r), являющийся результатом усреднения по физически малому объёму и характерным временам микропульсаций вакуумного Э. е( Е= е>)(см. Лоренца - Максвелла уравнения). Другой усреднённой характеристикой Э. п. в среде является вектор электрической индукции D(t, r) = E+4pP, где Р- плотность электрич. дипольного момента среды. Связь между D и Е устанавливается материальным ур-нием - в общем случае интегральным нелинейным соотношением. В приближении слабых полей, когда нелинейными эффектами можно пренебречь, материальное ур-ние имеет вид

где интегрирование производится по объёму светового конуса

-комплексный тензор диэлектрической проницаемости(a, b=1, 2, 3). Для гармонических ехр(iwt - ikr )-процессов материальное ур-ние упрощается:

где зависимости тензора диэлектрич. проницаемости среды e(w, k )от циклич. частоты со и волнового вектора k определяют соответственно временную и пространственную дисперсии среды.

В СИ вектор индукции D вводится и для вакуума: D =e0E, где e0 -электрич. проницаемость вакуума; однако двухвекторное описание Э. М. А. Миллер, Г. В. Пермитин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

.

dic.academic.ru>

Дайте определение напряженности электрического поля

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы

действующей на неподвижный точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда :

.

Из этого определения видно, почему напряженность электрического поля иногда называется силовой характеристикой электрического поля (действительно, всё отличие от вектора силы, действующей на заряженную частицу, только в постоянном[1] множителе).

В каждой точке пространства в данный момент времени существует свое значение вектора

(вообще говоря - разное[2] в разных точках пространства), таким образом, - это векторное поле. Формально это выражается в записи

представляющей напряженность электрического поля как функцию пространственных координат (и времени, т.к.

может меняться со временем). Это поле вместе с полем вектора магнитной индукции представляет собой электромагнитное поле[3], и законы, которым оно подчиняется, есть предмет электродинамики.

Напряжённость электрического поля в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах на метр [В/м] или в ньютонах на кулон [Н/Кл].

studopedia.ru>

Физика. Что такое электрическое поле?

Ирина коваленко

Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде в электромагнитных волнах. Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться по его действию и с помощью приборов. Основным действием электрического поля является ускорение тел или частиц, обладающих электрическим зарядом.
Электрическое поле можно рассматривать как математическую модель, описывающую значение величины напряженности электрического поля в данной точке пространства. Дуглас Джанколи писал так: "Следует подчеркнуть, что поле не является некой разновидностью вещества; правильнее сказать, это чрезвычайно полезная концепция… Вопрос о «реальности» и существовании электрического поля на самом деле — это философский, скорее даже метафизический вопрос. В физике представление о поле оказалось чрезвычайно полезным — это одно из величайших достижений человеческого разума".
Электрическое поле является одной из составляющих единого электромагнитного поля и проявлением электромагнитного взаимодействия.
Физические свойства электрического поля
В настоящее время наука ещё не достигла понимания физической сущности таких полей, как электрическое, магнитное и гравитационное, а также их взаимодействия друг с другом. Пока еще только описаны результаты их механического воздействия на заряженные тела, а также существует теория электромагнитной волны, описываемая Уравнениями Максвелла.
Эффект поля — Эффект поля заключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.
Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляюшая силы Лоренца) .
Наблюдение электрического поля в быту
Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет бо́льшей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.
Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.

Spacewolf

Электрическое поле,
частная форма проявления (наряду с магнитным полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрический заряд силы, не зависящей от скорости его движения. Представление об Э. п. было введено в науку М. Фарадеем в 30-х гг. 19 в. Согласно Фарадею, каждый покоящийся заряд создаёт в окружающем пространстве Э. п. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот; так осуществляется взаимодействие зарядов (концепция близкодействия). Основная количественная характеристика Э. п. - напряжённость электрического поля Е, которая определяется как отношение силы F, действующей на заряд, к величине заряда q, Е = F/q. Э. п. в среде наряду с напряжённостью характеризуется вектором электрической индукции (см. Индукция электрическая и магнитная). Распределение Э. п. в пространстве наглядно изображается с помощью силовых линий напряжённости Э. п. Силовые линии потенциального Э. п., порождаемого электрическими зарядами, начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии вихревого Э. п., порождаемого переменным магнитным полем, замкнуты.

Александр кретов

Это слова, которые придумали люди, чтобы объяснить взаимодействие некоторых предметов.
Кстати, придумали весьма удачно: можно делать выводы, строить теории и всё это подтверждается на практике.
P.S. Я очень рад, что люди умеют активно пользоваться справочниками. Это полезно!

Читайте также

zna4enie.ru

Электрическое поле основные характеристики | Электрикам

Электрическое поле характеризуется воздействием на электро заряженную частицу с силой пропорциональной заряда частицы и независящей от ее скорости.

Напряжённость

Напряжённость — векторная величина определяющая силу 

действующую на заряженную частицу или тело со стороны электрического поля и численно равная отношению силы к заряду частицы.

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля.

Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом.

Электрическое поле называется однородным (равномерным) если напряжённость поля во всех точках одинаковое по величине и направлению.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля.

U = A/q  [Дж/Кл] или [В]

Потенциал

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля  величине её заряда.

φ = W/Q [В]

Геометрическое место поля с с одинаковым потенциалом называется эквипотенциальной поверхностью.

electrikam.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *