Напряженность электрического поля: характеристика энергии и что такое заряд

Содержание
  1. Что такое электрическое поле
  2. Общая характеристика
  3. Потенциал
  4. Напряжённость поля
  5. Напряжение
  6. Структура электрического поля
  7. Классификация
  8. Однородное электрическое поле
  9. Неоднородное электрическое поле
  10. Краткая история изучения электрического поля
  11. Методы обнаружения
  12. Методы расчета электрического поля
  13. Использование
  14. Электрический заряд
  15. Принцип квантования заряда
  16. Принцип сохранения заряда
  17. Понятие напряженности электрического поля
  18. Определение напряженности электрического поля
  19. Единицы измерения и формулы
  20. Принцип суперпозиции
  21. Напряженность поля точечного заряда
  22. Линии напряженности
  23. Электризация тел
  24. Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов
  25. Закон сохранения электрического заряда
  26. Закон Кулона
  27. Потенциальность электростатического поля
  28. Потенциал электрического поля. Разность потенциалов
  29. Потенциальная энергия
  30. Силовые линии
  31. Проводники в электрическом поле
  32. Диэлектрики в электрическом поле
  33. Электрическая емкость. Конденсатор
  34. Энергия электрического поля конденсатора
  35. Основные формулы раздела «Электрическое поле»
  36. Воздействие электрического поля на жизнь и здоровье человека

Что такое электрическое поле

Долгое время ученые не могли объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым понял, что между ними существует некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, обнаруживший, что требуется время, чтобы один такой объект повлиял на другой, а значит, они взаимодействуют через «посредника».

В современной физике электрическое поле — это вид материи, возникающий вокруг заряженных тел и определяющий их взаимодействие. Если речь идет о стационарных объектах, поле называется электростатическим.

Тела с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а тела с противоположными зарядами притягиваются.

Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл

Общая характеристика

Электрическое поле — это особый тип материи, состоящий из микрообъектов, обладающих зарядом. Однако это не просто набор заряженных тел: этот термин также используется для обозначения микрополя, которое каждое заряженное тело формирует в пространстве. Именно совокупность этих микрополей и создает электрические поля в привычном для нас понимании.

Существование и непрерывная работа электрического поля обусловлены непрерывным взаимодействием частиц с зарядами, при котором они непосредственно сообщают друг другу электромагнитную энергию через окружающие каждую из них электрические поля. Графически электрическое поле необходимо представить в виде схематического набора линий, в физических науках называемых электрическими линиями.

Благодаря достижениям современной физики мы знаем, что электрические силы объясняют все химические и физические свойства веществ, от атома до животной клетки. Натуралистами, заложившими основы научных знаний об электрическом поле, были Андре-Мари Ампер, Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q’ в данной точке, к его значению. Выражение φ=W/q′ называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которое потенциально может быть затрачено на совершение работы по перемещению единичного заряда на бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается относительно данной точки. Его также называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших особенностей поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при освобождении способна совершать определенную работу.

Единицей измерения потенциала является 1 вольт. При бесконечном расстоянии от точки до наэлектризованного тела потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле одиночного заряда q действует с некоторой силой F на точечный заряд, как бы далеко он ни был удален. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжением и обозначается символом Е.

Напряжение является векторной величиной. Значение модуля вектора интенсивности: E=F/q′.

Силовые линии электрического поля (известные как силовые линии) называются касательными, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов силы. Плотность силовых линий определяет величину напряжения.

Положительное и отрицательное векторное электрическое поле силы
Рис. 5. Положительное и отрицательное векторное электрическое поле напряженности

Натяжение вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него определяется законом Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Эти поля называются кулоновскими полями.

Оттуда идут векторы напряженности положительного точечного заряда, а отрицательного — к центру (к заряду). Направления векторов кулоновского поля можно увидеть на рис. 6.

Направление линий натяжения положительных и отрицательных зарядов
Рис. 6. Направление линий натяжения положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа состоит в следующем: вектор напряженности различных зарядов можно представить в виде геометрической суммы напряженностей, создаваемых каждым отдельным зарядом, входящим в эту систему.

Для общего случая распределения заряда имеем:

общий случай распределения заряда

Линии напряжений схематично показаны на рис. 7. На изображении показаны характерные линии полей:

  • электростатический;
  • диполь;
  • системы и одноименные нагрузки;
  • однородное поле.

Линии напряжения различных полей
Рис. 7. Линии напряженности различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны совершать работу по перемещению элементарных носителей заряда, наличие поля является условием существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда движутся из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом. При этом часть энергии тратится на совершение работы перемещения.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения элементарных носителей заряда) необходимо поддерживать на проводнике разность потенциалов, которую также называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее ведется работа, тем мощнее ток в этой области. Функции поддержания разности потенциалов закреплены за источниками тока.

Структура электрического поля

Чтобы понять структуру электричества, необходимо сначала определить потенциал. Проще говоря, потенциал — это акт перемещения некоторого тела или заряда из начального положения в определенное место. Потенциал в поле электрического поля представляет собой вид энергии, движущей электрон. В результате движения он перемещается из точки так называемого нулевого потенциала в другую точку с ненулевым потенциалом.

Чем больше потенциал, затрачиваемый на движение электрического заряда или тела, тем значительнее плотность потока на единицу площади. Это явление сравнимо с законом всемирного тяготения: чем больше вес тела, тем больше действующая на него энергия и, следовательно, тем больше плотность гравитационной характеристики. В естественных условиях существуют заряды с пренебрежимо малым потенциалом и низкой степенью плотности, а также заряженные частицы и тела с высоким потенциалом и насыщенной плотностью потока. Такое явление, как работа по перемещению электрического заряда, наблюдается во время гроз и молний, ​​когда электроны обедняются в одном месте и насыщаются в другом, образуя своеобразное электрически заряженное электрическое поле при возникновении грозового разряда.


Переменные ПМ

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряженности. Если векторы напряженности одинаковы по абсолютной величине и в то же время сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле однородно. В нем линии напряженности параллельны.

Примером может служить электрическое поле, образованное разноименными зарядами в сечении плоских металлических пластин (см рис. 2).

Пример однородности
Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, сила которых различается в разных точках. Его линии натяжения имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, т е система двух противоположных зарядов, влияющих друг на друга (см рис. 3). Хотя векторы напряженности электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, такое поле не является однородным. Вихревые поля имеют более сложную конфигурацию (рис. 4). Его неоднородность очевидна.

Электрический диполь
Рис. 3. Электрический диполь Вихревые поля
Рис. 4. Вихревые поля

Краткая история изучения электрического поля

Считается, что первым исследователем взаимодействия статических зарядов стал инженер и физик Шарль Кулон. Именно он положил начало их взаимодействию. В основу исследований Кулона легла теория гравитационного взаимодействия Исаака Ньютона.

Ганс Эрстед стал ученым, открывшим магнитные свойства тока и электрического поля, а благодаря Джеймсу Максвеллу мы знаем, что электрическое поле не может существовать без индуцирующего его магнитного поля. Максвелл также поддержал концепцию короткодействующих электромагнитных взаимодействий.

Однако электрическое поле стало предметом изучения человека задолго до последних столетий. Даже Фалес Милетский в 7 веке до н.э. C исследовал природу статического электричества.

В конце 19 века Джозеф Томсон открыл электрон, «живой» образец переносчика электричества. Спустя годы Эрнст Резерфорд продемонстрировал место в структуре атомов, где находятся электроны.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрические поля. Поэтому мы не можем их видеть, ощущать на вкус или обонять. Единственное, что человек может ощутить, это выпрямление волос по линиям натяжения. Мы просто не замечаем наличие слабых влияний.

Обнаружить их можно при воздействии на маленькие кусочки бумаги, шарики бузины и т д. Электрическое поле действует на электроскоп; его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Он всегда находится вдоль линий напряженности.

Существуют очень чувствительные электронные устройства, которые легко обнаруживают наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчета параметров используются различные аналитические или численные методы:

  • сеточный или метод конечных разностей;
  • метод эквивалентных затрат;
  • вариационные методы;
  • расчеты с использованием интегральных уравнений и другие.

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

Использование

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

На свойствах электрических полей создана различная аппаратура, применяемая в медицине, химической промышленности и электротехнике. Разрабатываются устройства, которые используются в сфере беспроводной передачи энергии потребителю. Примером могут служить беспроводные зарядные устройства для гаджетов. Это лишь первые шаги на пути к передаче электроэнергии на большие расстояния.

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

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризовать объекты, находящиеся в зоне действия, электрические поля создают серьезные препятствия для нормальной работы электронной техники. Накопившееся статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных схем и полевых транзисторов.

Электрический заряд

Понятие электрического заряда лежит в основе классической теории электромагнетизма. Электрический заряд в физике — это величина, характеризующая способность объектов вступать в электрические взаимодействия. Следует отметить, что тела с одинаковыми зарядами всегда отталкиваются друг от друга, а тела с противоположными зарядами притягиваются.

Фундаментальная характеристика заряда заключается в его двойственной природе: заряды могут быть как положительными, так и отрицательными. Итак, физики условно делят все заряженные тела на два подтипа, при этом все тела одного из подтипов отталкиваются друг от друга, а тела второго подтипа притягиваются. Например, если частица А отталкивает частицу В, а частица А притягивает частицу С, то частица В также притягивает частицу С.

Физики еще не открыли, почему тела обладают этим глобальным, всеобщим и, при ближайшем рассмотрении, элементарным свойством. Однако термины «отрицательный заряд» и «положительный заряд» являются противоположными проявлениями одного и того же качества.

Заряженная частица всегда рождается в паре с частицей противоположного заряда. Например, при распаде фотона рождается пара положительно и отрицательно заряженных электронов (позитрон и негатрон). В этом процессе нет изменения заряда, то есть изменение заряда равно нулю до и после «превращения» фотона.

Чтобы понять, в чем сущность данной скалярной величины и из чего состоит электрическое вещество, необходимо изучить два фундаментальных свойства электрического заряда: квантование и сохранение заряда.

Принцип квантования заряда

Даже начинающий физик знает: в природе электрические заряды состоят из дискретных зарядов, имеющих постоянную величину, которая характеризуется как заряд электрона и обозначается символом е. Например, положительный заряд позитрона и отрицательный заряд негатрона равны по величине. Квантование заряда — это естественное выравнивание значений заряда двух противоположно заряженных частиц. Важным понятием в терминологии квантования является усмотрение заряда. Согласно новейшим физическим теориям заряд квантуется, т е обладает дискретным свойством: заряд состоит из мельчайших порций зарядов, не поддающихся дальнейшему разделению.

Принцип сохранения заряда

Этот принцип вытекает из природы «рождения» двух мирских тел, имеющих противоположные заряды. Это фундаментальный эмпирический закон, которому не противоречат ни одно из исследований на сегодняшний день. Буквально принцип сохранения гласит: в замкнутой системе электрический заряд, который имеет и другое название: алгебраическая сумма двух противоположных зарядов, остается постоянным.

Понятие напряженности электрического поля

Интенсивность электрического поля является характеристикой силы, которая используется для количественной оценки электрического поля.

Второе значение термина — физическая величина, равная отношению между силой, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, и величиной этого заряда.

Напряженность электрического поля можно установить по формуле:

E→=F→q.

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

Определение напряженности электрического поля

Точечные заряды используются для изучения электрического поля. Давайте узнаем, что это такое.

Точечный заряд – это такой наэлектризованный объект, размерами которого можно пренебречь, так как он слишком мал по сравнению с расстоянием, отделяющим этот объект от других заряженных тел.

Теперь поговорим непосредственно о напряженности, которая является одной из основных характеристик электрического поля. Это векторная физическая величина. В отличие от скаляров, у него есть не только значение, но и адрес.

Для исследования напряженности электрического поля необходимо поместить еще один точечный заряд q2 в поле заряженного тела q1 (например, оба будут положительными). Со стороны q1 на q2 будет действовать некоторая сила. Очевидно, что для расчетов необходимо учитывать как величину этой силы, так и ее направление.

Напряжённость электрического поля – это показатель, равный отношению силы, действующей на заряд в электрическом поле, к величине этого заряда.

Напряжение является характерной силой поля. Он указывает, насколько сильно влияние поля в данной точке не только на другие заряды, но и на живые и неживые заряженные предметы.

Важно!Иногда можно услышать вращение «напряжение электрического поля», но это ошибка — правильно говорить «напряжение».

Единицы измерения и формулы

Из определения выше понятно, как найти напряженность электрического поля в данной точке:

E = F/q, где F — сила, действующая на заряд, а q — количество заряда, находящегося в данной точке.

Если нам нужно выразить силу через натяжение, то получим следующую формулу:

Направление электрического поля всегда совпадает с направлением действующей силы. Если мы возьмем отрицательный точечный заряд, формулы будут работать аналогичным образом.

Поскольку сила измеряется в ньютонах, а заряд в кулонах, единицей напряженности электрического поля является Н/Кл (ньютон на кулон).

Принцип суперпозиции

Допустим, у нас есть несколько взаимодействующих зарядов. У каждого есть свое электрическое поле вокруг себя. Итак, существует определенная точка или область, где одновременно существует электрическое поле нескольких зарядов. Какова суммарная напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами?

Суммарная сила, действующая на данный заряд, находящийся в поле, оказалась суммой сил, действующих на данный заряд каждого тела. Отсюда следует, что напряженность поля в любой заданной точке может быть рассчитана путем суммирования векторов напряженностей, создаваемых каждым отдельным зарядом в этой же точке. Это принцип суперпозиции.

Это правило верно для любого поля, за некоторыми исключениями. Принцип суперпозиции не соблюдается в следующих случаях:

  • расстояние между зарядами очень маленькое – около 10-15 м;

  • речь идет о сверхсильных полях напряженностью более 1020 В/м.

Но задачи с такими данными выходят за рамки школьного курса физики.

Напряженность поля точечного заряда

Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, имеет одну особенность: из-за малой величины самого заряда оно очень мало действует на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используются для исследований.

Но прежде чем сказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, давайте подробнее рассмотрим, как взаимодействуют эти заряды.

Линии напряженности

Электрическое поле нельзя увидеть невооруженным глазом, но его можно представить с помощью линий напряженности. Графически они будут сплошными линиями, соединяющими загруженные объекты. Условная точка начала такой прямой находится на положительном заряде, а конечная точка на отрицательном.

Линии напряженности — прямые линии, совпадающие с силовыми линиями в системе положительных и отрицательных зарядов. Касательные к ним в каждой точке электрического поля имеют то же направление, что и напряженность этого поля.

Линии электропередач

При графическом изображении силовых линий можно передать не только направление, но и величину напряженности электрического поля (разумеется, условно). В местах, где модуль растяжения выше, принято делать рисунок из более толстых линий. Бывают также случаи, когда плотность линий не меняется; это происходит, когда представляется однородное поле.

Однородное электрическое поле создается разноименными зарядами с одинаковым модулем, расположенными на двух металлических пластинах. Линии натяжения между этими зарядами представляют собой параллельные прямые везде, кроме краев пластин и пространства за ними.

Электризация тел

Электрификация – это процесс сообщения телу электрического заряда, то есть нарушение его электронейтральности. Процесс электризации представляет собой перенос электронов или ионов от одного тела к другому. В результате электризации тело имеет возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Методы электрификации:

  • трение, — например, электризация эбонитовой палочки при трении о кожу. Когда два тела находятся в тесном контакте, часть электронов переходит от одного тела к другому; в результате этого на поверхности одного из тел создается недостаток электронов, и тело получает положительный заряд, а у другого — избыток, и тело становится отрицательно заряженным. Величины зарядов тел одинаковы;
  • воздействием (электростатическая индукция) — тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают заряды разного знака;
  • при соприкосновении заряженного и незаряженного тел заряд распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел равны, то нагрузка распределяется между ними поровну;
  • при ударе;
  • под действием излучения: под действием света с поверхности проводника могут улетучиваться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

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

Обозначение ​(q)​, единица измерения СИ – кулон (С).

Существует два типа электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (-1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) имеет протон. Минимальный заряд, который можно сообщить телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если в организме имеется избыток (лишних) электронов, то тело заряжено отрицательно, если в организме не хватает электронов, то тело заряжено положительно.

Нагрузка на тело будет

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

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

Электрические заряды взаимодействуют:

  • заряды одного знака отталкиваются:

  • заряды противоположных знаков притягиваются друг к другу:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскопом. Основная часть устройства представляет собой металлический стержень, на котором закреплены два листа металлической фольги, помещенные в стеклянную емкость. Когда заряженное тело соприкасается со стержнем электроскопа, заряды распределяются между кусочками листа. Поскольку заряды на листьях одного знака, они отталкиваются друг от друга.

Электрометр также можно использовать для измерения зарядов. Его основными частями являются металлический стержень и стрела, способная вращаться вокруг горизонтальной оси. Индикаторная линейка закреплена в пластмассовой втулке и помещена в металлический ящик, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрела получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на определенный угол.

Закон сохранения электрического заряда

Система называется замкнутой (электрически изолированной), если в ней отсутствует обмен зарядами с окружающей средой.

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

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

Важно!
В природе заряды одного знака не возникают и не падают: положительные и отрицательные заряды могут нейтрализовать друг друга, если они равны по абсолютной величине.

Закон Кулона

Предположим, что в вакууме есть два точечных заряда, которые статически расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одинаковых или разных имен они могут притягиваться или отталкиваться. В любом случае на них действуют силы, направленные вдоль соединяющей их прямой.

Закон Кулона

Закон Кулона

Модули сил, действующих на точечные заряды в вакууме, пропорциональны произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния, разделяющего их.

Напряженность электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле:формула напряженности электрического поля
где q1 и q2 — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.

В формуле подразумевается коэффициент пропорциональности k, который определен опытным путем и является постоянной величиной. Обозначает силу, с которой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, находящиеся на расстоянии 1 м.

формула напряженности электрического поля

Важно! Сила взаимодействия двух точечных зарядов остается неизменной, когда в данном поле появляется сколь угодно большое число других зарядов.

Учитывая все вышеизложенное, напряжение электрического поля точечного заряда в некоторой точке, удаленной от заряда на расстоянии r, можно рассчитать по формуле:

напряжение электрического поля

Итак, мы выяснили, что называется напряжённостью электрического поля и от чего зависит эта величина. Теперь давайте посмотрим, как это представлено графически.

Потенциальность электростатического поля

Электрическое поле напряженностью ​(vec{E} )​ при перемещении заряда ​(q )​ совершает работу. Работа ​(А)​ электростатического поля рассчитывается по формуле:

где ​(d)​ — расстояние, которое проходит заряд,
​(alpha )​ — угол между векторами силы электрического поля и смещением заряда.

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

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

Потенциальное поле — это поле, работа сил которого при движении заряда по замкнутому пути равна нулю.

Важно!
Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равна нулю. Электростатическое поле является потенциальным.

Работа электростатического поля по перемещению заряда равна изменению потенциальной энергии, взятой с обратным знаком. В электродинамике энергия обычно обозначается буквой ​(W)​, так как буква ​(E )​ обозначает напряженность поля:

Потенциальная энергия заряда ​(q)​, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов рассчитывается относительно нулевого уровня (аналогично потенциальной энергии гравитационного поля). Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исходя из соображений удобства решения задачи.

Потенциал электрического поля. Разность потенциалов

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

Обозначение ​(varphi)​, единицей СИ является вольт (В).

Потенциал (varphi) представляет собой характерную энергию электростатического поля.

Разность потенциалов численно равна работе, совершаемой электрической силой при перемещении единицы положительного заряда между двумя точками поля:

Обозначение ​(Deltavarphi )​, единица СИ – вольт (В).

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

Важно!
Потенциальная разница (Deltavarphi=varphi_1-varphi_2 ), а не потенциальное изменение (Deltavarphi=varphi_2-varphi_1 ). Тогда работа электростатического поля равна:

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

В электростатике потенциал часто вычисляют относительно бесконечно удаленной точки. В этом случае потенциал поля в данной точке равен работе, совершаемой электрическими силами при удалении единицы положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциал поля точечного заряда ​(q)​ в точке, расположенной на расстоянии ​(r)​ от него, вычисляется по формуле:

Для визуального представления электрического поля используются эквипотенциальные поверхности.

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

Эквипотенциальная поверхность или поверхность равного потенциала — это поверхность во всех точках, где потенциал имеет одинаковое значение.

Свойства эквипотенциальных поверхностей

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

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

Разность потенциалов и напряжение связаны формулой:

Из принципа суперпозиции полей следует принцип суперпозиции потенциалов:

Результирующий потенциал поля равен сумме потенциалов поля отдельных зарядов.

Важно!
Потенциалы складываются алгебраически, а силы складываются согласно правилу сложения векторов.

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

Алгоритм решения таких задач:

  • установить характер и особенности электростатических взаимодействий объектов системы;
  • введите характеристики (силу и энергию) этих взаимодействий, нарисуйте рисунок;
  • написать законы сохранения и движения объектов;
  • выразить энергию электростатического взаимодействия через заряды, потенциалы, напряжения;
  • составить систему уравнений и решить ее относительно искомой величины;
  • проверьте решение.

Потенциальная энергия

Благодаря свойству потенциальности физики могут судить о том, что каждому электрическому заряду в определенном поле присуща потенциальная энергия. Наглядно этот принцип можно проиллюстрировать следующим образом: существует определенная точка в пространстве, в которую можно переместить определенный заряд, значение потенциальной энергии которого будет равно нулю.

Силовые линии

Понятие его силовых линий выводится из закона потенциальности поля. На самом деле таких объектов в реальном виде не существует. Это графический инструмент, позволяющий представить электрическое поле для визуального схематического наблюдения и исследования. Через представление плотности и количества линий можно проиллюстрировать направление напряженности поля, а также его величину.

Проводники в электрическом поле

Проводники – это вещества, в которых может происходить упорядоченное движение электрических зарядов, то есть может протекать электрический ток.

Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислоты, ионизированные газы. Проводники имеют свободные электрические заряды. В металлах высвобождаются валентные электроны взаимодействующих атомов.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны в проводнике начнут двигаться в направлении, противоположном направлению силы поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыток отрицательного заряда, а на противоположной – избыток положительного.

Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор силы которого направлен в сторону, противоположную вектору силы внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что результирующая напряженность поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды находятся на поверхности проводника.

Важно!
Если внутри проводника есть полость, то напряженность в нем будет равна нулю, независимо от имеющегося поля вне проводника и того, насколько проводник заряжен. Внутренняя полость проводника экранирована (защищена) от внешних электростатических полей. Это основа электростатической защиты.

Явление перераспределения заряда во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Заряды, разделенные электростатическим полем, компенсируют друг друга, если проводник удаляется из поля. Если такой проводник разрезать, не вынимая из поля, то его части будут иметь заряды разного знака.

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

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектрики – вещества, не проводящие электричество. Диэлектрики – стекло, фарфор, каучук, дистиллированная вода, газы.

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

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

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то она называется неполярной. Примером такого диэлектрика является молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположны. В результате молекула деформируется и становится диполем. При введении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика — это процесс смещения в противоположных направлениях противоположных связанных зарядов, из которых состоят атомы и молекулы вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярен, то в его молекулах происходит обмен положительными и отрицательными зарядами. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Эти заряды называются связанными, потому что они не могут свободно двигаться друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не компенсируются и создают внутри диэлектрика поле, вектор силы которого направлен в противоположную сторону вектору силы внешнего поля. Это означает, что напряженность поля внутри диэлектрика меньше, чем в вакууме.

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

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле диполи вращаются и выстраиваются вдоль линий натяжения.

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

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электрическая емкость) — скалярная физическая величина, характеризующая способность одинокого проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение ​(С)​, единица измерения СИ – фарад (Ф).

Одинокий водитель – это водитель вдали от других водителей и заряженных тел.

Фарада — электрическая емкость такого одинокого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл:

Формула расчета электрической мощности:

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

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

Конденсатор представляет собой систему из двух проводников, разделенных диэлектрическим слоем, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называются обкладками конденсатора. Заряды на обкладках конденсатора равны по величине и противоположны по заряду. Электрическое поле сосредоточено между пластинами конденсатора. Конденсаторы используются для хранения электрических зарядов.

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​(q )​ — модуль заряда одной из пластин,
​(U)​ — разность потенциалов между пластинами.

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

Плоский конденсатор состоит из двух параллельных пластин площадью (S)​, расположенных на расстоянии ​(d)​ друг от друга.

Электрическая емкость плоского конденсатора:

где ​(varepsilon)​ — диэлектрическая проницаемость вещества между пластинами,
(varepsilon_0 ) — электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначен:

Типы конденсаторов:

  • по типу диэлектрика: воздух, бумага и др;
  • по форме: плоские, цилиндрические, сферические;
  • по электрической мощности — постоянной и переменной мощности.

Конденсаторы можно соединять друг с другом.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одинаково заряженными пластинами. Напряжения на конденсаторе:

Общая вместимость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов их противоположно заряженные пластины соединяются.

Заряды конденсаторов при этом соединении равны:

Общее напряжение:

Обратная величина полной емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкости отдельных конденсаторов.

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

Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в электронных устройствах в качестве элементов хранения заряда для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия заряженного конденсатора равна работе внешних сил, которую необходимо затратить для заряда конденсатора.

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

Поскольку напряженность электрического поля прямо пропорциональна напряжению, энергия электрического поля конденсатора пропорциональна квадрату напряженности.

Плотность энергии электрического поля:

где​(V)​ — объем пространства между пластинами конденсатора.

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

Основные формулы раздела «Электрическое поле»

Законы постоянного тока → ← Термодинамика Электрическое поле3 (59,79%) 94 голоса

Воздействие электрического поля на жизнь и здоровье человека

Электрическое поле низкочастотных волн, образующих заряд на теле человека и сохраняющихся на сравнительно небольшом расстоянии от его поверхности. Токи, протекающие в теле человека, могут менять направление своего движения под действием полей с переменным электрическим током. Именно по этой причине некоторые люди чувствуют, как их волосы «шевелятся», когда они находятся на территории воздушных линий электропередач переменного тока.

Электрическое поле может нанести непоправимый вред человеку. Как правило, негативное воздействие электричества возникает при регулярном пользовании мобильными телефонами.

Еще одним примером возможного наблюдения электрического поля в быту является его появление вблизи телеэкранов с помощью кинескопа. Если поднести руку к экрану такого телеприемника, волоски как бы «всплывают». Это явление производится именно воздействием электрического поля.

Оцените статью
Блог о практической электронике