Характеристики электрического поля и его основные свойства

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.

Силовая характеристика электрического поля

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

Явление Электростатической ИндукцииЭта 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.

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.

Виды полей

Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где оно существует. Рассмотрим несколько примеров возникающих полей в различных ситуациях.

  1. Если заряды неподвижны – это статическое поле.
  2. Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
  3. Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
  4. В радиоволнах выделяют электрическое и магнитное поле, которые расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение МП порождает возникновения ЭП с замкнутыми силовыми линиями.

Электроемкость и конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

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

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

 Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

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.

Структура электрического поля

Для того чтобы понять структуру электрического вначале следует определить потенциал. Говоря просто, потенциал — это действие по переведению какого-либо тела или заряда из начального места в конкретный пункт размещения. Потенциал в сфере электрополя — это своеобразная энергия, которая двигает электрон. В результате движения он перемещается с точки так называемого нулевого потенциала в другую точку, имеющую ненулевой потенциал.

Чем выше потенциал, который потрачен на передвижение электрического заряда или тела, тем более значительной будет плотность потока на единице площади. Это явление сравнимо с законом гравитации: чем больше вес тела, тем выше энергия, действующая на него, а, значит, значительнее плотность гравитационной характеристики. В естественных условиях существуют заряды с незначительным потенциалом и с низкой степенью плотности, а также заряженные частицы и тела с высоким потенциалом и насыщенной плотностью потока. Такое явление, как работа по перемещению электрозаряда, наблюдается при грозе и молнии, когда в одном месте происходит истощение электронов, а в другом — их насыщение, образовывающее своеобразное электрически заряженное ЭП, когда происходит разряд в виде молнии.

Переменное МП

Сила тока

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

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

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

  • метод сеток или конечных разностей;
  • метод эквивалентных зарядов;
  • вариационные методы;
  • расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.

Основные формулы раздела «Электрическое поле»

Электрическое поле

4.3

(86.67%)

3

votes

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом