Главное свойство любого электрического поля

Электрическое поле и электрический ток: напряженность и сила

Главное свойство любого электрического поля

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

Электрическое поле

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

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

Напряженность электрического поля

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

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

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

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

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

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

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

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

Диэлектрики в электрическом поле

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

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

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

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

Полярные и неполярные диэлектрики

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

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

Проводники в электрическом поле

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

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

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

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

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

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

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

Электроемкость 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.

Электрический ток

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

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

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Направленное движение заряженных частиц

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

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

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

Сила тока

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

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

Электродвижущая сила

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

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

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

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

В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

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

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

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

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

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

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

Соединение источников тока

Соединение источников тока

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

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

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Главное свойство любого электрического поля

Электрическое поле – это векторное поле, действующее вокруг частиц обладающих электрическим зарядом. Оно входит в состав электромагнитного поля. Для него характерно отсутствие реальной визуализации. Оно невидимо, и может быть замечено только в результате силового воздействия, на которое реагируют другие заряженные тела с противоположными полюсами.

По сути, поле является особым состоянием материи. Его действие проявляется в ускорении тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. К его характеризующим особенностям, можно отнести:

  • Действие только при наличии электрического заряда.
  • Отсутствие границ.
  • Наличие определенной величины воздействия.
  • Возможность определения только по результату действия.

Поле неразрывно связано с зарядами, которые находятся в определенной частице или теле. Оно может образовываться в двух случаях.

Первый предусматривает его появление вокруг электрических зарядов, а второй при перемещении электромагнитных волн, когда меняется электромагнитное поле.

Электрические поля воздействуют на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные частицы. В результате они получают силовое влияние. Пример воздействия поля можно наблюдать и в быту. Для этого достаточно создать электрический заряд. Учебники физики предлагают для этого простейший пример, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие.

Получить поле вполне возможно, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы. На ее поверхности образуется заряд, что приводит к появлению электрического поля. Как следствие ручка притягивает мелкие частицы. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней.

Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластиковой расчески.

Бытовым примером проявления электрического поля является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов.

В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя заряды.

При снятии такого предмета одежды электрическое поле подвергается различным силам воздействия, что и приводит к образованию световых вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов.

Для характеристики электрического поля применяется 3 показателя:

  • Потенциал.
  • Напряженность.
  • Напряжение.

Потенциал

Данное свойство является одним из главных. Потенциал указывает на количество накопленной энергии применяемой для перемещения зарядов. По мере их сдвига энергия расточается, постепенно приближаясь к нулю. Наглядной аналогией данного принципа может выступить обыкновенная стальная пружина.

В спокойном положении она не обладает никаким потенциалом, но только до того момента, пока не будет сжата. От такого воздействия она получает энергию противодействия, поэтому после прекращения влияния обязательно разогнется. Когда пружина отпускается, то моментально распрямляется. Если на ее пути окажутся предметы, она начнет их двигать.

Возвращаясь непосредственно к электрическому полю потенциал можно сравнить с приложенными усилиями на выпрямление назад.

Электрическое поле обладает потенциальной энергией, что и делает его способным выполнять определенное воздействие. Но перемещая заряд в пространстве, оно истощает свой ресурс. В том же случае если передвижение заряда внутри поля осуществляется под воздействием сторонней силы, то поле не только не теряет свой потенциал, но и пополняет его.

Также для большего понимания данной величины можно привести еще один пример. Предположим, что незначительный положительно заряженный заряд располагается далеко за пределами действия эл.поля. Это делает его совершенно нейтральным и исключает взаимный контакт.

Если же в результате воздействия любой сторонней силы заряд будет двигаться по направлению к электрическому полю, то достигнув его границы, будет втянут в новую траекторию.

Энергия поля, затраченная на влияние относительно заряда в определенной точке воздействия, и будет называться потенциалом на этой точке.

Выражение электрического потенциала осуществляется через единицу измерения Вольт.

Напряженность

Этот показатель применяется для количественного выражения поля. Данная величина рассчитывается как отношение положительного заряда воздействующего на силу действия. Простым языком напряженность выражает силу эл.поля в определенном месте и времени. Чем выше напряженность, тем более выраженным будет влияние поля на окружающие предметы или живые существа.

Напряжение

Этот параметр образуется от потенциала. Он применяется для демонстрации количественного соотношения действия, которое производит поле. То есть, сам потенциал показывает объем накопленной энергии, а напряжение демонстрирует потери на обеспечение движения зарядов.

В электрическом поле положительные заряды перемещаются от точек с высоким потенциалом в места, где он ниже. Что касается отрицательных зарядов, то они движутся противоположно.

Как следствие осуществляется работа с использованием потенциальной энергии поля. Фактически напряжение между точками качественно выражает работу, совершенную полем для переноса единицы противоположно заряженных зарядов.

Таким образом, термины напряжение и разность потенциалов это одно и то же.

Наглядное проявление поля

Электрическое поле имеет условное визуальное выражение. Для этого применяются графические линии. Они совпадают с линиями воздействия силы, которые излучают заряды вокруг себя.

Помимо линии действия сил, также важно их направление. Для классификации линий за основу определения направлений принято использовать положительный заряд.

Таким образом, стрелка движения поля идет от положительных частиц к отрицательным.

Чертежи, изображающие эл.поля, на линиях имеют направление в виде стрелки. Схематически в них всегда есть условное начало и конец. Таким образом, они не замыкаются сами на себе. Силовые линии берут свое начало на точке нахождения положительного заряда и заканчиваются на месте отрицательных частиц.

Электрическое поле может иметь различные типы линий в зависимости не только от полярности заряда, который способствует их образованию, но и наличию сторонних факторов.

Так, при встрече противоположных полей они начинают действовать друг на друга притягательно. Искаженные линий приобретают очертания гнутых дуг.

В том же случае, когда встречаются 2 одинаковых поля, то они отталкиваются в противоположные стороны.

Сфера применения

Электрическое поле обладает рядом свойств, которые нашли полезное применение. Данное явление используется при создании различного оборудования для работы в нескольких весьма важных сферах.

Использование в медицине

Воздействия электрического поля на определенные участки тела человека позволяет повышать его фактическую температуру. Это свойство нашло свое применение в медицине.

Специализированные аппараты обеспечивают воздействия на необходимые участки поврежденных или больных тканей. В результате чего улучшается их кровообращение и возникает заживляющий эффект.

Поле воздействует с высокой частотой, поэтому точечное влияние на температуру дает свои результаты и вполне ощутимо для больного.

Применение в химии

Данная сфера науки предусматривает использования различных чистых или смешанных материалов. В связи с этим работа с эл.полями не могла обойти эту отрасль. Компоненты смесей взаимодействуют с электрическим полем по-разному.

В химии это свойство применяется для разделения жидкостей. Данный метод нашел лабораторное применение, но встречается и в промышленности, хотя и реже.

К примеру, при воздействии полем осуществляется отделения в нефти загрязняющих компонентов.

Электрическое поле применяется для обработки при фильтрации воды. Оно способно отделить отдельные группы загрязняющих веществ. Такой способ обработки намного дешевле, чем использование сменных картриджей.

Электротехника

Использование электрического поля имеет весьма интересное применение в электротехнике. Так, был разработан способ беспроводной передачи электричества от источника до потребителя. До недавнего времени все разработки имели теоретический и экспериментальный характер.

Уже имеется эффективная реализация технологии зарядки телефона без применения непосредственного гибкого кабеля вставляемого в USB разъем смартфона. Данный способ пока не позволяет передавать энергию на продолжительное расстояние, но он совершенствуется.

Вполне возможно, что в ближайшем будущем надобность в зарядных кабелях с блоками питания отпадет полностью.

При выполнении электромонтажных и ремонтных работ применяется светодиодная индикаторная отвертка, действующая на основе схемы полевого транзистора. Помимо ряда функций, она может реагировать на электрическое поле.

Благодаря этому при приближении пробника к фазному проводу индикатор начинает светиться без фактического касания к токопроводящей жиле. Он реагирует на поле исходящие от проводника даже сквозь изоляцию.

Наличие электрического поля позволяет находить токопроводящие провода в стене, а также определять точки их разрыва.

Защититься от воздействия эл.поля можно при помощи металлического экрана, внутри которого его не будет. Это свойство широко применяется в электронике, чтобы исключить взаимное влияние электрических схем, которые расположены довольно близко друг к другу.

Возможности применения в будущем

Имеются и более экзотические возможности для электрического поля, которыми на сегодняшний день еще не обладает наука.

Это коммуникации быстрее скорости света, телепортация физических объектов, перемещение за один миг между разомкнутыми местоположениями (червоточины).

Однако для осуществления подобных планов будут нужны куда более сложные исследования и эксперименты, чем проведение экспериментов с двумя возможными исходами.

Однако наука все время развивается, открывая все новые возможности применения электр.поля. В будущем его сфера использования может значительно расшириться. Возможно, что оно найдет применение во всех значимых областях нашей жизни.

Свойства электрического поля: его структура, сила

Главное свойство любого электрического поля

Современные представления предполагают, что электрозаряды не действуют друг на друга непосредственным образом. Абсолютно любое заряженное тело создает вокруг себя ЭП, которое воздействует на окружающее этот объект пространство.

Оно может появляться и создаться при прохождении через проводник электричества и оказывает силовое воздействие на все другие заряженные тела. Основное свойство как раз в этом и заключается.

В этой статье будет подробно разобрано, какие свойства электрического поля есть и какова структура электрополя.

Что это такое

Электрическое поле — это особое векторная характеристика, которая действует на все обладающие электрозарядом частицы, находящиеся в ее радиусе действия.

Это электрополе входит в состав электромагнитного, то есть для него характерно отсутствие визуальной составляющей.

Это значит, что ЭП нельзя увидеть глазами и оно может быть зафиксировано только в результате воздействия за заряженные частицы.

Напряженность и потенциал ЭП

Важно! На последнее реагируют все заряженные электрочастицы и тела, обладающие другими (противоположными) полюсами.

Электрополе — особая форма состояния материи, которое проявляется в ускорении электрочастиц и определенных тел, которые обладают электро зарядом. К особенностям электрополя относятся:

  • Оно действует только при наличии электро заряда;
  • Оно не имеет определенных четких границ;
  • ЭП обладает определенной величиной воздействия;
  • Его определить только по результату его воздействия.

Принцип суперпозиции

Характеристика ЭП неразрывно связана с зарядами. Они находятся в определенной электрочастице или теле. Преобразование ЭП происходит в двух случаях:

  • При появлении вокруг него электрозарядов;
  • При перемещении волн электромагнитной природы, которые способствуют изменению электрополя.

Работа сил ЭП

Электрополе влияет на неподвижные относительно наблюдателя объекты в виде электро заряженных частиц или тел. В конечном итоге они получают силовое влияние. Пример воздействия ЭП можно наблюдать и в бытовой ситуации. Для этого достаточно создать электрозаряд достаточной мощности.

Книги по теоретической физике предлагают для этого простейший эксперимент, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить электрополе вполне можно просто, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы или шерсть.

На ее поверхности образуется заряд, который приводит к появлению электрополя. Как следствие ручка притягивает мелкие электрочастицы в виде волос или бумаги. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней.

Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластмассовой расчески.

Манипуляции с магнитными свойствами ЭП на основе железной крошки

Также примером появления электрополя в быту является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя различные электрозаряды.

При снятии такого предмета одежды с тела ЭП подвергается различным силам воздействия, которое приводит к образованию вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов, которые сделаны из синтетических материалов.

Сделал открытие и впервые подтвердил наличие электрополя Майкл Фарадей — английский физик и экспериментатор. Именно он внес в физику понятие «поля» и установил основы его концепции, его физическую реальность.

Важно! Фарадей ввел понятие ЭП при исследовании диамагнетизма и парамагнетизма, когда он обнаружил небольшое отталкивание специальным магнитом ряда веществ.

Напряженность электростатического поля

Свойства

Основные свойства ЭП:

  • Источником самого ЭП являются заряженные частицы и переменные ЭП магнитного происхождения. ЭП неразрывно связано с магнетизмом. Источником поля электростатической природы являются неподвижные электростатические заряды;
  • ЭП воздействует на внесенные в него электрозаряды с некоторой силой;
  • Скорость распространения электрического поля равна конечность скорости света в вакууме, то есть константе C, которая равна 3 * 10 в 8 степени метров в секунду;
  • Обнаружение электрополя происходит по его воздействию на другие электрически заряженные тела;
  • ЭП подчиняются принципу суперпозиции, то есть наложения. Это означает, что в каждой точке, пространства, электрополя действуют, как будто других сил воздействия нет. В данной точке, их суммарное воздействие на пробный электрозаряд определяется как сумма воздействий действующих ЭП.

Виды

Различают несколько основных видов электрополей. Отличие зависит от того, где оно существует. Следует рассмотреть несколько примеров возникающих сил в различных ситуациях:

  • Когда заряженные электрочастицы неподвижны. Это называется статическим ЭП;
  • Когда заряженные электрочастицы находятся в движении по проводнику. Это называется магнитным полем, которое не следует отождествлять с электрическим;
  • Стационарное ЭП возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.

В радиоволнах есть ЭП и МП. Они расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение магнитного поля порождает возникновения электрополя с замкнутыми силовыми линиями.

Вихревые электромагнитные волны

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

Как определить

Для количественного определения электрополя вводится значение силы напряженности электрического поля. Ею называют физическую величину, равную отношению силовых характеристик, с которыми ЭП воздействует на положительный пробный электрозаряд, находящийся в некоторой точке пространства, к величине этого заряда. Она равна E = F/q.

Течение жидкости под действием магнитных волн

Напряженность представляет собой векторную величина физического типа. Направление векторов силы в каждой точке конкретной области пространства соответствует направлением сил, воздействующих на положительный пробный заряд.

Формула напряженности поля между двумя зарядами

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

Если ЭП исследуется с помощью пробного заряда и создается сразу несколькими заряженными телами, то конечная силовая характеристика оказывается равной геометрической сумме сил, которые воздействуют на электрозаряд со стороны всех заряженных тел по отдельности. Следовательно, напряженность электрополя, которая создается набором зарядов в конкретной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей ЭП, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности: E = E1 + E2 + E3 +…

Напряженность точечного заряда

Таким образом, было определено, какими свойствами обладает электрическое поле и какова его структура. Все тела создают электрополя, если они заряжены. Понять, есть оно или нет нельзя визуальным путем. Для этого нужно подтвердить его воздействие на окружающие объекты.

Свойства и основные характеристики электрических полей

Главное свойство любого электрического поля

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.

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.

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.

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.

Что такое электрическое поле и какими свойствами оно обладает

Главное свойство любого электрического поля
Есть такой термин в физике, как «Электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел. Оно применяется на практике и встречается в повседневной жизни. В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и какие его свойства, а также, где оно возникает и применяется.

Определение

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

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

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

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

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

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

Такое поле называют еще и кулоновским.

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

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

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

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

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.

Обнаружение электрического поля

Мы попытались вам рассказать все важные определения и условия существования электрического поля простым языком. Давайте разбираться, как его обнаружить. Магнитное обнаружить легко – с помощью компаса.

Электрическое поле мы можем обнаружить в быту. Все мы знаем, что если потереть пластиковую линейку об волосы, то мелкие бумажки начнут к ней притягиваться. Это и есть действие электрического поля. Когда вы снимаете шерстяной свитер, слышите треск и видите искорки – это оно же.

Другим способом обнаружить ЭП – поместить в него пробный заряд. Действующее поле отклонит его. Это применяется в ЭЛТ мониторах и, соответственно, лучевых трубках осциллографа, об этом поговорим позже.

Практика

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

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение.

В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика.

В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).

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

Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия.

В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

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

Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения.

Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме.

Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.

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

Материалы по теме:

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.