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.

Основные свойства электрического поля и его характеристики: напряженность, потенциал, индукция

Электрическим полем называется материя, обеспечивающая взаимодействие электрических зарядов в нем. Оно может быть порождено как электрическим зарядом, так и изменяющимся магнитным потоком. В первом случае оно называется электростатическим, во втором — вихревым. Без этого поля не может возникнуть электрический ток, но чтобы знать, как он возникает, следует ознакомиться с основными характеристиками электрческого поля.

Природа явления

Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.

Наблюдение за электрическими полями показывает, что они работают аналогично гравитационным. Описывается это законом Кулона, который в общем виде выглядит так:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

где q₁ и q₂ — величины зарядов в кулонах, ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.

Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.

Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:

1. Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу. Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.
2. Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.

Силовые линии электрического поля, индуцированного электрическим зарядом, незамкнуты. Замкнуты они только у вихревого поля, которое формируется вокруг изменяющегося магнитного потока.

Таковы основные свойства электрического поля. Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами. Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.

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.

Таким образом, в каждой точке поля его напряженность разная, и зависит она от заряда, который оно создает, условий среды и величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния до точки.

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.

Электрическое поле работает сходным образом. Пробный заряд q₁, помещенный в него, обладает потенциальной энергией:

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.

Электрическая индукция измеряется в Кл/м ², и ее величина выражается формулой:

D = ε ε₀ E.

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

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.

Параметр	Электростатическое	Вихревое
форма силовых линий	разомкнутые	замкнутые
чем создается	неподвижным зарядом	переменным магнитным потоком
источник напряженности	заряд	отсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуре	нулевая	создает 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.

Электрическое поле и величины, его характеризующие

Пространство вокруг всякого электрического заряда или нескольких зарядов, через которые осуществляется взаимодействие между зарядами, называется электрическим полем.

Электрическое поле – одна из сторон электромагнитного поля, которое представляет собой особый вид материи и характеризуется следующими свойствами:

1. Электромагнитное поле существует вокруг любой заряженной частицы или тела.

2. Поле характеризуется непрерывным распределением в пространстве.

3. Оно обладает массой.

4. Поле – носитель энергии.

5. Энергия поля может преобразовываться в другие виды энергии (механическую, химическую и др.)

Электрическое поле характеризуется следующими величинами:

1. напряженностью;

2. потенциалом;

3. напряжением.

Напряженностью электрического поля в данной точке называют величину, численно равную силе, с которой поле действует на единичный точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

Напряженность является векторной величиной. За направление вектора напряженности принимают направление силы, с которой поле действует на положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Эл. поле можно изображать с помощью эл. силовых линий так, чтобы вектора напряженности были направлены по касательной к эл. силовыми линиям.

Эл. силовые линии – это пути, по которым перемещается положительный заряд под действием поля.

С помощью эл. силовых линий можно показать интенсивность поля, при этом через площадку проводят линии, число которых пропорционально напряженности поля. Если в формулу напряженности подставить значение силы Fиз закона Кулона, то получим:

Если поле создается несколькими точечными зарядами, то напряженность такого поля определяется как геометрическая сумма напряженностей, создаваемых каждым зарядом в отдельности.

Если угол не прямой, то используют теорему косинусов.

Электрическим напряжениемназывают отношение работы, совершаемой силами поля по перемещению пробного заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда.

Эл. поле может быть однородным и неоднородным. В однородном поле вектора напряженности одинаковы по величине и по направлению.

Электрическое напряжение является энергетической характеристикой поля. Это величина скалярная.

Электрическим потенциаломв данной точке является величина, численно равная работе, затрачиваемой на перемещение единичного точечного (положительного) заряда из-за пределов поля в данную точку.

Потенциал – величина скалярная, он может быть положительным и отрицательным.

Для сравнения потенциалов введено условное понятие нулевого потенциала.Условно считают, что нулевой потенциал имеет поверхность Земли, и если потенциал выше нуля, то он положительный, а если ниже – отрицательный.

Разность потенциалов между двумя точками эл. поля называют напряжением между этими точками:

Связь между напряжением и напряженностью эл. поля определяется следующим образом. Работу по перемещению пробного заряда в эл. поле можно определить:

Задача

Дано:	Решение:

Проводники первого ряда: все металлы и их сплавы. Проводники второго ряда: электролиты.

Диэлектрики: керамика, стекло, слюда, кварц, асбест, пластмассы, каучук, минеральные масла, лаки, воздух и др.

Сдвинутые друг с другом под действием внешнего эл. поля и одновременно связанные заряженные частицы в пределах молекулы образуют диполь.

Это явление называется поляризацией диэлектрика. Если диэлектрик убрать из внешнего эл. поля, то поляризация полностью прекращается. Но некоторые диэлектрики (титанат бария, титанат свинца) с исчезновением поля сохраняют остаточную поляризацию.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее Ерез при одном и том же Е и тем больше диэлектрическая проницаемость a.

Напряженность эл. поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется эл. прочностью диэлектрика, или пробивной напряженностью.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением.

Отношение называетсязапасом прочности.

Полупроводники занимают среднее место по проводимости между металлами и диэлектриками. С повышением температуры их проводимость увеличивается. К ним относятся: кремний, германий, селен, закись меди, сернисный свинец и др.

Основные параметры электрического поля

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

Силовые линии электрического поля

Основная единица электрического заряда один кулон q – 1кл.

1кл = 6,3 × 1018 электронов.

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

Параметры электрического поля

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

φ =

A q

=

1Дж 1кл

= 1B

Основная единица потенциала ровна 1в.

Разность потенциалов между двумя точками называется напряжение.

• U – напряжение
• φ1 – φ2 = U
• U = 1в

• 1в = 103мв = 106мкв
• 1кв = 103в

Разность потенциалов бывает между одноимёнными зарядами и разноимёнными.

φ1 = 10ед

φ2 = 3ед φ3 = –7ед

φ = 0

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

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

Напряженность электрического поля

 

 

 

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

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

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

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

24. Электрическое поле и его характеристики

Эл-кое поле-разновидность материи, посредством которой осущ-ся силовое воздействие на эл-кие заряды нах-ся в этом поле. Силовая хар-ка – напряженность (отношение силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд к этому заряду) Е=F/q. Эл-кое поле графически удобно представлять силовыми линиями, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в соотв-х точках поля. Энергетическая хар-ка – потенциал. Работа сил электростатического поля не зависит от траектории по которой перемещается заряд в этом поле ( такое поле – потенциальное. Работа сил электростатического поля по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю. Работа сил электростатического поля не зависит от: траектории заряда, нач и конечн. Точек перемещений, напряженности поля. Разность потенциалов – отношение работы, совершаемой силами поля при перемещении точечного положительного заряда из одной точки поля в другую, к этому заряду: U₁₂ = φ1 – φ2=A\q. Потенциалы в виде эквипотенциальных пов-стей. Силв. линии и эквипотенц. Пов-сти взаимно перпендик. Если поле создано N точечными зарядами, то напр-сть в некоторой точке можно вычислить как векторную сумму напр-стей полей , созд-х каждым зарядом в этой точке отдельно(принцип суперпозиции): E=∑^N_i=1Ei , а эл-кий потенциал как алгебр. Суммупотенц-в от каждого заряда.

25. Электрич.диполем наз. систему, сост. из 2 равных, но противополож. по знаку то­чечных электрич. зарядов, расп. на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя). Основной харак-теристикой диполя (рис. 12.5) явл. его электрич. момент (дипольный момент) — вектор, рав­ный произ-нию заряда на плечо диполя l, направленный от от­риц. заряда к полож-ному: Единицей электрич. момента диполя явл. кулон-метр.

Поместим диполь в однород. электрич.поле напряженностью (рис. 12.6).

На каждый из зарядов диполя действуют силы и , эти силы равны по модулю, противоположно направлены и создают момент пары сил. Как видно из рисунка, он равен или в векторной форме :

Таким образом, на диполь в однород. электрич. поле дей-ствует момент силы, зависящий от электрич. момента и ориентации диполя, а также напряженности поля. . Диполь в неоднородном электрическом поле. В неод­нор. электрич. поле вращающее действие тоже имеет место, и диполь ориентир-ся вдоль соответ. линии поля. Однако в этом случае значения сил, д-щих на по­люса диполя (силы F⁺ и F^— на рис. 18.3), не одинаковы, и их сумма не равна нулю.=> возн. результирующая сила, втяг-щая диполь в область более сильного поля..

Результирующая сила зависит от изменения напряженности приходящегося на единицу длины диполя. Обозначим Е⁺ и Е^— модули напряженности поля у положит. и отриц. полюсов. Тогда Т.к. плечо диполя мало, то приближенно можно считать, что где dE/dl — градиент поля. Таким образом, на диполь, который ориентирован вдоль си­ловой линии и имеет момент р, дей-ет сила, втягивающая его в область поля с большей напряж-тью:

Электрическое поле диполя: Сам диполь явл. источником электрич. поля, на­пряженность кот. зависит от дипольного момента р, от ди­электрической прониц-сти среды ε и геометрич. пара­метров. Пусть диполь нах. в непроводящей бесконечной среде и некоторая точка А удалена от его центра на расстояние Обозначим через α угол между вектором р и направ­лением на эту точку. Тогда потенциал, создаваемый диполем в точке Л, опр-ся следующей формулой (рис. 18.4):

Рис: потенциал эл.поля,

созд-го диполем

26. Диполь явл. частным случаем с-мы электрич. заря­дов, облад-щей определ. сим-метрией. Можно указать еще примеры симметр. систем зарядов электрич. мульти-поли. Они бывают разных порядков (l = 0,1,2). Число зарядов мультиполя опр. выра-жением 2^l. Так, мультиполем нулевого порядка (2° = 1) явл. одиночный точечный заряд (рис.а), м-лем первого порядка (2¹ = 2) — диполь, мультиполем II п-ка (2² = 4) — квадруполь (рис.б), м-лем III п-ка (2³ = 8) — октуполь (рис. в)

61. Электрическое поле и его характеристики

Эл-кое поле-разновидность материи, посредством которой осущ-ся силовое воздействие на эл-кие заряды нах-ся в этом поле. Силовая хар-ка – напряженность (отношение силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд к этому заряду) Е=F/q. Эл-кое поле графически удобно представлять силовыми линиями, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в соотв-х точках поля. Энергетическая хар-ка – потенциал. Работа сил электростатического поля не зависит от траектории по которой перемещается заряд в этом поле ( такое поле – потенциальное. Работа сил электростатического поля по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю. Работа сил электростатического поля не зависит от: траектории заряда, нач и конечн. Точек перемещений, напряженности поля. Разность потенциалов – отношение работы, совершаемой силами поля при перемещении точечного положительного заряда из одной точки поля в другую, к этому заряду: U₁₂ = φ1 – φ2=A\q. Потенциалы в виде эквипотенциальных пов-стей. Силв. линии и эквипотенц. Пов-сти взаимно перпендик. Если поле создано N точечными зарядами, то напр-сть в некоторой точке можно вычислить как векторную сумму напр-стей полей , созд-х каждым зарядом в этой точке отдельно(принцип суперпозиции): E=∑^N_i=1Ei , а эл-кий потенциал как алгебр. Суммупотенц-в от каждого заряда.

62. Электрический диполь. Поле диполя. Диполь в электрическом поле.

Электрич.диполем наз. систему, сост. из 2 равных, но противополож. по знаку то­чечных электрич. зарядов, расп. на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя). Основной харак-теристикой диполя (рис. 12.5) явл. его электрич. момент (дипольный момент) — вектор, рав­ный произ-нию заряда на плечо диполя l, направленный от от­риц. заряда к полож-ному: Единицей электрич. момента диполя явл. кулон-метр.

Поместим диполь в однород. электрич.поле напряженностью (рис. 12.6).

На каждый из зарядов диполя действуют силы и , эти силы равны по модулю, противоположно направлены и создают момент пары сил. Как видно из рисунка, он равен или в векторной форме :

Таким образом, на диполь в однород. электрич. поле дей-ствует момент силы, зависящий от электрич. момента и ориентации диполя, а также напряженности поля. Диполь в неоднородном электрическом поле. В неод­нор. электрич. поле вращающее действие тоже имеет место, и диполь ориентир-ся вдоль соответ. линии поля. Однако в этом случае значения сил, д-щих на по­люса диполя (силы F⁺ и F^— на рис. 18.3), не одинаковы, и их сумма не равна нулю.=> возн. результирующая сила, втяг-щая диполь в область более сильного поля..

Результирующая сила зависит от изменения напряженности приходящегося на единицу длины диполя. Обозначим Е⁺ и Е^— модули напряженности поля у положит. и отриц. полюсов. Тогда Т.к. плечо диполя мало, то приближенно можно считать, что где dE/dl — градиент поля. Таким образом, на диполь, который ориентирован вдоль си­ловой линии и имеет момент р, дей-ет сила, втягивающая его в область поля с большей напряж-тью:

Электрическое поле диполя: Сам диполь явл. источником электрич. поля, на­пряженность кот. зависит от дипольного момента р, от ди­электрической прониц-сти среды ε и геометрич. пара­метров. Пусть диполь нах. в непроводящей бесконечной среде и некоторая точка А удалена от его центра на расстояние Обозначим через α угол между вектором р и направ­лением на эту точку. Тогда потенциал, создаваемый диполем в точке Л, опр-ся следующей формулой (рис. 18.4):

Рис: потенциал эл.поля,

созд-го диполем

Характеристики электрического поля | Онлайн журнал электрика

В статье описаны главные свойства электронного поля: потенциал, напряжение и напряженность.

Что такое электронное поле

Для того, чтоб сделать электронное поле, нужно сделать электронный заряд. Характеристики места вокруг зарядов (заряженных тел) отличаются от параметров места, в каком нет зарядов. При всем этом характеристики места при внесении в него электронного заряда меняются не одномоментно: изменение начинается у заряда и с определенной скоростью распространяется от одной точки места к другой.

В пространстве, содержащем заряд, появляются механические силы, действующие на другие заряды, внесенные в это место. Эти силы есть итог не конкретного деяния 1-го заряда на другой, а деяния через отменно изменившуюся среду.

Место, окружающее электронные заряды, в каком появляются силы, действующие на внесенные в него электронные заряды, именуется электронным полем.

Заряд, находящийся в электронном поле, движется в направлении силы, действующей на него со стороны поля. Состояние покоя такового заряда может быть только тогда, когда к заряду приложена какая-либо наружняя (посторонняя) сила, уравновешивающая силу электронного поля.

Как нарушается равновесие меж посторонней силой и силой поля, заряд опять приходит в движение. Направление его движения всегда совпадает с направлением большей силы.

Для наглядности электронное поле принято изображать так именуемыми силовыми линиями электронного поля. Эти полосы совпадают с направлением сил, действующих в электронном поле. При всем этом договорились проводить столько линий, чтоб их число на каждый 1 см2 площадки, установленной перпендикулярно к линиям, было пропорционально силе поля в соответственной точке.

За направление поля условно принято направление силы поля, действующей на положительный заряд, помещенный в данное поле. Положительный заряд отталкивается от положительных зарядов и притягивается к отрицательным. Как следует, поле ориентировано от положительных зарядов к отрицательным.

Направление силовых линий обозначается на чертежах стрелками. Наукой подтверждено, что силовые полосы электронного поля имеют начало и конец, т. е. они не замкнуты сами на себя. Исходя из принятого направления поля, устанавливаем, что силовые полосы начинаются на положительных зарядах (положительно заряженных телах) и завершаются на отрицательных.

Рис. 1. Примеры изображения электронного поля с помощью силовых линий: а — электронное поле одиночного положительного заряда, б — электронное поле одиночного отрицательного заряда, в — электронное поле 2-ух разноименных зарядов, г — электронное поле 2-ух одноименных зарядов

На рис. 1 показаны примеры электронного поля, изображенного с помощью силовых линий. Необходимо держать в голове, что силовые полосы электронного поля — это только метод графического изображения поля. Большего содержания в понятие силовой полосы тут не вкладывается.

Закон Кулона

Сила взаимодействия 2-ух зарядов находится в зависимости от величины и обоюдного расположения зарядов, также от физических параметров окружающей их среды.

Для 2-ух наэлектризованных физических тел, размеры которых пренебрежимо малы по сопоставлению с расстоянием меж телами, хила взаимодействия математически определяется последующим образом:

где F — сила взаимодействия зарядов в ньютонах (Н), k — расстояние меж зарядами в метрах (м), Q1 и Q2 — величины электронных зарядов в кулонах (к) , k — коэффициент пропорциональности, величина которого находится в зависимости от параметров среды, окружающей заряды.

Приведенная формула читается так: сила взаимодействия меж 2-мя точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и назад пропорциональна квадрату расстояния меж ними (закон Кулона).

Для определения коэффициента пропорциональности k служит выражение k = 1/(4πεε_о).

Потенциал электронного поля

Электронное поле всегда докладывает движение заряду, если силы поля, действующие на заряд, не уравновешиваются какими-либо посторонними силами. Это гласит о том, что электронное поле обладает возможной энергией, т. е. способностью совершать работу.

Перемещая заряд из одной точки места в другую, электронное поле совершает работу, в итоге чего припас возможной энергии поля миниатюризируется. Если заряд перемещается в электронном поле под действием какой-нибудь посторонней силы, действующей навстречу силам поля, то работа совершается не силами электронного поля, а посторонними силами. В данном случае возможная энергия поля не только лишь не миниатюризируется, а, напротив, возрастает.

Работа, которую совершает посторонняя сила, перемещая в электронном поле заряд, пропорциональна величине сил поля, противодействующих этому перемещению. Совершаемая при всем этом посторонними силами работа стопроцентно расходуется на повышение возможной энергии поля. Для свойства поля со стороны его возможной энергии принята величина, именуемая потенциалом электронного поля.

Суть этой величины состоит в последующем. Представим, что положительный заряд находится за пределами рассматриваемого электронного поля. Это означает, что поле фактически не действует на данный заряд. Пусть посторонняя сила заносит этот заряд в электронное поле и, преодолевая сопротивление движению, оказываемое силами поля, переместит заряд в данную точку поля. Работа, совершаемая силой, а означает, и величина, на которую возросла возможная энергия поля, зависит всецело от параметров поля. Как следует, эта работа может охарактеризовывать энергию данного электронного поля.

Энергия электронного поля, отнесенная к единице положительного заряда, помещенного в данную точку поля, и именуется потенциалом поля в данной его точке.

Если потенциал обозначить буковкой φ, заряд — буковкой q и затраченную на перемещение заряда работу — W, то потенциал поля в данной точке выразится формулой φ = W/q.

Из произнесенного следует, что потенциал электронного поля в данной его точке численно равен работе, совершаемой посторонней силой при перемещении единицы положительного заряда из-за пределов поля в данную точку. Потенциал поля измеряется в вольтах (В). Если при переносе 1-го кулона электричества из-за пределов поля в данную точку посторонние силы сделали работу, равную одному джоулю, то потенциал в данной точке поля равен одному вольту: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напряжение электронного поля

В любом электронном поле положительные заряды передвигаются от точек с более высочайшим потенциалом к точкам с потенциалом более низким. Отрицательные заряды передвигаются, напротив, от точек с наименьшим потенциалом к точкам с огромным потенциалом. B обоих случаях работа совершается за счет возможной энергии электронного поля.

Если нам известна эта работа, т. е. величина, на которую уменьшилась возможная энергия поля при перемещении положительного заряда q из точки 1 поля в точку 2, то просто отыскать напряжение меж этими точками поля U1,2:

U_1,2 = A/q,

где А — работа сил поля при переносе заряда q из точки 1 в точку 2. Напряжение меж 2-мя точками электронного поля численно равно работе, которую совершает ноле для переноса единицы положительного заряда из одной точки поля в другую.

Как видно, напряжение меж 2-мя точками поля и разность потенциалов меж этими же точками представляют собой одну и ту же физическую суть. Потому определения напряжение и разность потенциалов сущность одно и то же. Напряжение измеряется в вольтах (В).

Напряжение меж 2-мя точками равно одному вольту, если при переносе 1-го кулона электричества из одной точки поля в другую силы поля совершают работу, равную одному джоулю: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напряженность электронного поля

Из закона Кулона следует, что величина силы электронного поля данного заряда, действующей на помещенный в этом поле другой заряд, не во всех точках поля схожа. Охарактеризовывать электронное поле в каждой его точке можно величиной силы, с которой оно действует на единичный положительный заряд, помещенный в данной точке.

Зная данную величину, можно найти силу F, действующую на хоть какой заряд Q. Можно написать, что F = Q х Е, где F — сила, действующая со стороны электронного поля на заряд Q, помещенный в данную точку поля, Е — сила, действующая на единичный положительный заряд, помещенный в эту же точку поля. Величина Е, численно равная силе, которую испытывает единичный положительный заряд в данной точке поля, именуется напряженностью электронного поля.