Электрическое поле: основные понятия
Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.
Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.
Понятие напряженности электрического поля
Определение 1Напряженность электрического поля – это силовая характеристика, которая используется для количественного определения электрического поля.
Второе значение термина – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.
Напряженность электрического поля можно задать формулой:
E→=F→q.
Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора E→ совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.
Напряженность электрического поля
Какое поле называют электростатическим?
Определение 2Электростатическое поле – это электрическое поле, которое окружает неподвижные и не меняющиеся со временем заряды.
Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.
Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.
Напряженность электрического поля, которая создается в определенной точке пространства системой зарядов, будет равна векторной сумме напряженностей электрических полей:
E→=E1→+E2→+.
..
Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.
Определение 4Согласно формуле, напряженность электростатического поля, которое создается точечным зарядом Q на расстоянии r от него, в соответствии с законом Кулона, будет равна по модулю:
E=14πε0·Qr2.
Это поле называется кулоновским.
В кулоновском поле направление вектора E⇀ зависит от знака заряда Q: если Q>0, то вектор E⇀ направлен по радиусу от заряда, если Q<0, то вектор E⇀ направлен к заряду.
Обратимся к иллюстрации. На рисунке для большей наглядности мы используем силовые линии электрического поля. Они проходят таким образом, чтобы направление вектора E⇀ в каждой из точек пространства совпадало с направлением касательной к силовой линии. Густота силовых линий соответствует модулю вектора напряженности поля.
Рисунок 1.2.1. Силовые линии электрического поля.
Мы можем использовать как положительные, так и отрицательные точечные заряды.
Оба эти случая мы изобразили на рисунке. Электростатическое поле, которое создается системой зарядов, мы можем представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов. В связи с этим мы можем рассматривать поля точечных зарядов как элементарные структурные единицы любого электрического поля.
Рисунок 1.2.2. Силовые линии кулоновских полей.
Кулоновское поле точечного заряда Q удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор r→от заряда Q к точке наблюдения. Тогда при Q>0 вектор E→ параллелен r→, а при Q<0 вектор E→ антипараллелен r→.
Следовательно можно записать:
E→=14πε0·Qr3r→,
где r – модуль радиус-вектора r→.
По заданному распределению зарядов можно определить электрическое поле E→. Такие задачи часто встречаются в таком разделе физики как электростатика. Рассмотрим пример такой задачи.
Пример 1Предположим, что нам нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити на расстоянии R от нее.
Для большей наглядности мы привели схему на рисунке ниже.
Рисунок 1.2.3. Электрическое поле заряженной нити.
Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с зарядом τΔx, где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей ∆E→. Результирующее поле оказывается равным
E=τ2πε0R.
Вектор E→ везде направлен по радиусу R→. Это следует из симметрии задачи.
Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.
Рисунок 1.2.4. Модель электрического поля точечных зарядов.
Рисунок 1.2.5. Модель движения заряда в электрическом поле.
Понятие о диполях
Определение 5Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю зарядов, которые отличаются знаками и расположены на некотором расстоянии друг от друга.
Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.
Рисунок 1.2.6. Силовые линии поля электрического диполя E→=E1→+E2→.
Дипольный момент p→ является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:
p→=l→q,
где l→ – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль l→=l.
Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (h3O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105°. Дипольный момент молекулы воды p=6,2·10–30 Кл · м.
Рисунок 1.2.7. Дипольный момент молекулы воды.
Понятие об электрическом поле. Взаимодействие электрических зарядов
Прежде чем давать определение электрического поля, проделаем простой опыт, показывающий, как взаимодействуют электрические заряды.
Для опыта потребуется очень несложная «аппаратура»: эбонитовая палочка, кусочек сукна и два маленьких пробковых шарика, подвешенных на шелковых нитках.
Эбонитовую палочку потрем о сукно и коснемся ею левого шарика. Так как эбонитовая палочка при трении о сукно заряжается отрицательно, то и шарик зарядится отрицательно. Кусочек сукна, которым мы натирали палочку, заряжается положительно (при рассмотрении электронного строения атома указывалось, что появление отрицательного заряда всегда сопровождается появлением положительного заряда). Этим кусочком сукна коснемся правого шарика. Часть электронов с шарика перейдет на сукно, и он зарядится положительно. Если после этого внести эбонитовую палочку между шариками, то левый шарик будет от нее отталкиваться, а правый — притягиваться (рис. 1).
Рисунок 1. Взаимодействипе электрических зарядов
Этот опыт позволяет сделать следующий вывод:
Одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются
Проделанный опыт убедительно показывает, что электрический заряд (в данном случае отрицательно заряженная эбонитовая палочка) вызывает определенные изменения в окружающем пространстве, создавая вокруг себя электрическое поле.
Определение Электрическое поле — это особый, отличный от вещества вид материи, через которую, в частности, передается действие одних заряженных тел на другие.
Электрическое поле проявляется прежде всего в том, что на находящиеся в нем заряженные тела действуют электрические силы.
Всякое электрическое поле обладает определенным запасом электрической энергии. Проявления этой энергии могут быть различными. Например, под влиянием электрического поля может двигаться электрический заряд; при этом электрическая энергия поля тратится на перемещение заряда, и скорость перемещения заряда увеличивается. Электрическое поле, воздействующее на заряд так, что скорость движения последнего увеличивается, называется ускоряющим электрическим полем.
Если заставить электрический заряд двигаться навстречу действию сил поля, то энергия электрического ноля будет возрастать, а скорость движения заряда уменьшаться. Такое поле называется тормозящим электрическим полем.
Одним из существенных вопросов электротехники является вопрос о движении электрона в электрическом поле. Электрон имеет отрицательный электрический заряд, и к нему применимы все те рассуждения, которые приводились выше.
Если электрон движется в ускоряющем поле, то энергия поля уменьшается. При движении электрона в тормозящем электрическом поле энергия последнего возрастает. На этом явлении основана работа ряда важнейших приборов (клистронов, магнетронов и т. д.), применяемых в современной радио аппаратуре.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
Линия силы | физика
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
- Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
- Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Факты и сопутствующий контент
Электрическое поле и движение заряда
Возможно, одним из самых полезных, но само собой разумеющихся достижений последних столетий является разработка электрических цепей.
Поток заряда по проводам позволяет нам готовить еду, освещать наши дома, кондиционировать нашу работу и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу. В этом разделе «Класс физики» мы рассмотрим причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, влияющие на скорость его течения. Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно обсуждены.
Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля впервые было введено в разделе «Статическое электричество». В этой единице электрическая сила описывалась как бесконтактная сила. Заряженный воздушный шар может оказывать притягательное воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже если они не соприкасаются.
Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила – это сила действия на расстоянии.
Силы дальнего действия иногда называют полевыми силами. Концепция силы поля используется учеными для объяснения этого довольно необычного силового явления, возникающего при отсутствии физического контакта. На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве создается электрическое поле. Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этом поле ощутят необычное изменение пространства. Независимо от того, входит ли заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества пространства. Когда другой заряженный объект входит в пространство и перемещается на все глубже и глубже в поле, эффект поля становится все заметнее.
Электрическое поле представляет собой векторную величину, направление которой определяется как направление, в котором положительный пробный заряд будет сдвинут при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля вокруг положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника. А направление электрического поля вокруг отрицательного заряда источника всегда направлено к отрицательному источнику.
Электрическое поле, работа и потенциальная энергия
Электрические поля аналогичны гравитационным полям — оба включают в себя силы, действующие на расстоянии. В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии воздействуют на другие массы. Когда концепция силы гравитации и энергии обсуждалась в Разделе 5 кабинета физики, было упомянуто, что сила гравитации является внутренней или консервативной силой. Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его из высокого места в более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется.
Однако в ходе падающего движения происходила потеря потенциальной энергии (и прирост кинетической энергии). Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию. Потенциальная энергия, изначально запасенная внутри объекта в результате его вертикального положения, теряется при движении объекта под действием гравитационного поля. С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Неподвижный объект не будет естественным образом двигаться против поля и приобретать потенциальную энергию. Энергия в виде работы должна была бы быть сообщена объекту внешней силой, чтобы он приобрел эту высоту и соответствующую потенциальную энергию.
В этой гравитационной аналогии важно отметить, что внешняя сила должна совершить работу, чтобы сдвинуть объект против природы — от низкой потенциальной энергии до высокой потенциальной энергии. С другой стороны, объекты естественным образом переходят от высокой потенциальной энергии к низкой потенциальной энергии под действием силы поля.
Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой энергии; но требуется работа, чтобы переместить объект из низкой энергии в высокую энергию.
Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребовалась бы работа. Совершение работы внешней силой, в свою очередь, добавило бы объекту потенциальную энергию. Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой; но необходимо совершить работу, чтобы переместить объект против природы . С другой стороны, не потребуется работы, чтобы переместить объект из места с высокой потенциальной энергией в место с низкой потенциальной энергией. Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, взаимосвязь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.
Рассмотрим приведенную выше диаграмму, на которой положительный исходный заряд создает электрическое поле, а положительный пробный заряд движется против поля и вместе с ним.
На диаграмме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B. Перемещение заряда в этом направлении было бы равносильно действию против природы. Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из точки А в точку В, и положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе. Это было бы аналогично перемещению массы в гору; работа потребовалась бы, чтобы вызвать такое увеличение гравитационной потенциальной энергии. На диаграмме B положительный пробный заряд перемещается вместе с полем из точки B в точку A. Это движение было бы естественным и не требовало бы работы внешней силы. Положительный пробный заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A. Это будет аналогично падению массы вниз; это произошло бы естественным путем и сопровождалось бы потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; и место с низким энергопотреблением находится дальше всего.
Вышеприведенное обсуждение относилось к перемещению положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом положительным исходным зарядом. Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным исходным зарядом. Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.
На диаграмме C положительный пробный заряд перемещается из точки A в точку B в направлении электрического поля. Это движение было бы естественным — подобно массе, падающей на Землю. Для такого движения не требуется работы, и оно будет сопровождаться потерей потенциальной энергии. На диаграмме D положительный пробный заряд перемещается из точки B в точку A против электрического поля. Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично подъему массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия сообщается пробному заряду в виде работы, положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения.