электрическое поле графически поле изображается

Электрическое поле

Электрическое поле – феномен, который изучает классическая электродинамика. Наряду с магнитным и электромагнитным полем термин «электрическое поле» является одним из фундаментальных в современной физической науке. С использованием этого термина и понятия электрического заряда можно описать намного большее количество природных явлений, чем может показаться неосведомлённому в физике человеку.

Общая характеристика

Электрическим полем называется специфическая разновидность материи, формируемая микротелами, имеющими заряды. Тем не менее, это не только совокупность заряженных тел: данным термином именуется также микрополе, которое формирует в пространстве каждое заряженное тело. Именно совокупность этих микрополей и создаёт электрические поля в привычном для нас понимании.

Существование и непрерывное функционирование электрического поля обусловлено непрерывным взаимодействием частиц, имеющих заряды, в ходе которого они непосредственно сообщают электромагнитную энергию один другому посредством электрических полей, которые окружают каждое из них. Графически электрическое поле следует изображать в виде схематичной совокупности линий, в физической науке именуемых силовыми.

Силовые линии

Благодаря достижениям современной физики мы знаем, что электрические силы объясняют все химические и физические свойства веществ, от атома до животной клетки. Естествоиспытателями, которые заложили фундамент научного знания об электрическом поле, были Андре-Мари Ампер, Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл.

Электрический заряд

Понятие электрического заряда занимает центральное место в классической теории электромагнетизма. Электрическим зарядом в физике называется величина, которая характеризует способность объектов входить в электрические взаимодействия. Следует подчеркнуть, что тела с одноимёнными зарядами всегда отталкиваются, а тела с разноимёнными – притягиваются друг к другу.

Электрический заряд

Фундаментальная характеристика заряда заключается в его двойственной природе: заряды бывают и положительными, и отрицательными. Так, все заряженные тела условно делятся физиками на два подтипа, при этом все тела одного из подтипа отталкивают друг друга, но притягивают тела из второго подтипа. Например, если частица А отталкивает частицу В, но частица А притягивает частицу С, то частица В тоже будет притягивать частицу С.

Физики до сих пор не выяснили, почему тела обладают этим глобальным, универсальным и, при ближайшем рассмотрении, элементарным свойством. Тем не менее, 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, пара положительно и отрицательно заряженных электронов (позитрон и негатрон) появляется на свет посредством распадения фотона. При этом процессе изменения заряда не происходит, другими словами, изменение заряда равно нулю до и после «превращения» фотона.

Чтобы понять, в чём заключается сущность данной скалярной величины и из чего состоит электрическое вещество, следует 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 своей величине. Квантование заряда – это и есть природное уравнивание величин зарядов двух разноимённо заряженных частиц. Важное понятие в терминологии квантования – дискретность заряда. Согласно новейшим физическим теориям, заряд квантуется, то есть обладает свойством дискретности: один заряд состоит из минимальных порций зарядов, которые далее разделить невозможно.

Принцип сохранения заряда

Этот принцип следует из природы «рождения» двух миркотел, имеющих разноимённые заряды. Это фундаментальный эмпирический закон, не имеющий противоречий ни в одном из сделанных до сегодняшнего дня исследований. Дословно принцип сохранения гласит: в закрытой системе электрический заряд, носящий и другое название – алгебраическая сумма двух разноимённых зарядов, –остаётся постоянным.

Кулоновская сила

Концепция Кулона характеризует взаимодействие между двумя зарядами, пребывающими в состоянии покоя. Она гласит: два недвижимых заряда отталкивают либо притягивают один другого с силой, которая прямо пропорциональна произведению величин зарядов, но обратна длине расстояния между этими зарядами во второй степени. Вместе с этим, сила взаимодействия пары зарядов не может измениться при присутствии третьего.

С помощью кулоновского принципа естествоиспытатель может отыскать состояние равновесия в ситуации свободного перемещения зарядов под воздействием силы другого типа, при котором заряды будут распределяться с постоянным коэффициентом. Сила Кулона предопределена третьим законом Ньютона, который утверждает, что заряды воздействуют один на другого с силами, которые равны по модулям, но противоположны по направлениям.

Суперпозиция полей

Закон Кулона и все вытекающие из него утверждения являются лишь основой для другого, более масштабного принципа – закона суперпозиции. Исходя из этого фундаментального утверждения, силы, которые действуют на заряды, каждый из которых располагается в конкретной точке объединённой системы, являют собой сумму сил, имеющих строгое направление и формируемых отдельными группами зарядов по отдельности и влияющих на заряды в конкретных точках.

В отличие от закона Кулона, принцип суперпозиции может быть недостаточным в рамках некоторых квантовых явлений в электрическом поле.

Теория близкодействия

Согласно теории близкодействия, электрические заряды передают свои взаимодействия с помощью особых вещественных частиц-посредников и производятся с конечной скоростью.

Основателями теории близкодействия в классической физике являются философ и физик Рене Декарт и естествоиспытатель Майкл Фарадей. В рамках данной концепции принято считать, что частицы, которые являются посредниками в процессе передачи взаимодействий, движутся со строго определённой скоростью, которая стремится к скорости света.

Переносчиками, или телами-посредниками, которые передают взаимодействие зарядов, являются кванты электрического поля, движущиеся со скоростью света.

Теория близкодействия

Электроемкость, конденсатор и напряженность электрического поля

Величина С, равная заряду q, который требуется сообщить проводнику с целью повышения его потенциала, называется электроёмкостью.

Электроёмкость описывает инертность заряжаемого вещества, которое может проводить электрический ток, или, другими словами, его сопротивляемость повышению потенциала.
Формула, которая характеризует принцип электроёмкости системы:

Размер и форма проводника формируют величину электроёмкости, как и свойства диэлектрика, который разделяет проводники. В физике имеет значение один тип систем, сосредоточивающий электрическое поле в определённой месте пространства. Он носит название «конденсатор», который, в свою очередь, состоит из проводников, именуемых обкладками.

Данный тип систем являет собой конфигурацию проводников, которую составляют две плоские проводящие пластины, расположенные параллельно друг другу на маленьком расстоянии и отграниченные слоем диэлектрика.

Напряжённость электрического поля

Напряжённость электрического поля – второй по значимости термин в теории об электричестве после электрического заряда. Если естествоиспытатель знает всё хотя бы об этих двух понятиях, он сможет проводить простейшие опыты с электричеством и подкреплять их знаниями из элементарного курса физики.

Напряжённость – это сила, воздействующая на отдельный статичный заряд. Исходя из общепринятых норм можно сказать, что напряжённость электрического поля обозначается символом Е. Стоит отметить, что напряжённость является векторной величиной, а электрический заряд – скалярной.

Напряжённость электрического поля

Потенциальная энергия электрического заряда и потенциальность полей

Заряды наполняют электрическое поле. Они двигаются по некоторым замкнутым траекториям. Величины работы их сил равняются нулю, и потому эти силы (или силовые поля) именуют потенциальными. Считается, что некоторые виды электрических полей, в частности, электростатическое поле, обладает свойством потенциальности изначально. Это доказанная теория, и она не требует новых исследований.

Потенциальная энергия

Благодаря свойству потенциальности физики могут судить о том, что потенциальная энергия присуща каждому электрическому заряду в конкретном поле. Наглядно проиллюстрировать этот принцип можно так: в пространстве имеется конкретная точка, в которую может быть перемещён конкретный заряд, величина потенциальной энергии которого будет равна нулю.

Силовые линии

Из закона потенциальности полей вытекает концепция его силовых линий. В действительности подобных объектов в вещественном виде не существует. Это графический инструмент, который позволяет изобразить электрическое поле для визуального схематического наблюдения и исследования. Через представление густоты и числа линий можно проиллюстрировать направление напряжённости поля, а также его величину.

Изображение силового поля

Электрический диполь

Данный термин обозначает элементарную совокупность точечных зарядов, которые имеют системные признаки. Диполем называется сумма зарядов, противозначных, но равных по величине, и сдвинутых один от другого на определённое расстояние.

Диполи бывают разные, но наибольшее внимание физическая наука уделяет точечным диполям. Так называются диполи, которые характеризуются пренебрежимо маленьким расстоянием от отрицательного заряда до положительного. Если в теории совокупность зарядов разделить на множество частей, её можно будет рассматривать как систему электрических диполей.

Электрический дипольный момент

Краткая история изучения электрического поля

Считается, что инженер и физик Шарль Кулон стал первым исследователем взаимодействия статичных зарядов. Именно он вывел принцип их взаимодействия. Фундаментом исследований Кулона стала теория гравитационного взаимодействия Исаака Ньютона.

Ганс Эрстед стал учёным, открывшим магнитные свойства электрического тока и поля, а благодаря Джеймсу Максвеллу мы знаем, что электрическое поле не может существовать без магнитного, которое и индуцирует его. Также Максвелл утвердил концепцию близкодействия электромагнитных взаимодействий.

Ганс Эрстед и Джеймс Максвелл

Тем не менее, электрическое поле стало объектом человеческих исследований задолго до последних веков. Ещё Фалес Милетский в 7 веке до нашей эры исследовал природу статического электричества.

В конце 19 века Джозефом Томсоном был открыт электрон – «живой» образец носителя электричества. Спустя годы Эрнст Резерфорд доказал место в структуре атомов, на котором располагаются электроны.

Воздействие электрического поля на жизнь и здоровье человека

Электрическое поле волны низкой частоты, которые образуют заряд на теле человека и остаются на довольно неглубоком расстоянии от его поверхности. Протекающие в человеческом теле токи могут изменить направление своего движения под воздействием полей с переменным электротоком. Именно по этой причине некоторые люди чувствуют «шевеление» волос, когда находятся на территории воздушных линий электропередач переменного тока.

Электрическое поле может нанести человеку непоправимый вред. Как правило, негативное воздействие электричества происходит, когда люди регулярно пользуются мобильными телефонами.

Ещё один пример возможного наблюдения электрического поля в повседневной жизни – его возникновение вблизи дисплеев телевизоров с кинескопом. Если поднести руку к экрану такого телеприёмника, волоски на ней словно «вздыбятся». Это явление происходит именно из-за воздействия электрического поля.

Еще рекомендую посмотреть лекцию профессора на тему «Электрическое поле»:

Источник

ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПОВЕРХНОСТИ

Электрическое поле можно представить в графической форме. Для этого можно измерить или рассчитать напряжённости электрического поля в различных точках и изобразить векторы напряжённости в этих точках. Полученное изображение будет содержать информацию о величине и направлении напряжённости электрического поля в различных точках.

На рисунке показан пример изображения электрического поля точечного положительного заряда (рисунок выполнен без соблюдения масштаба).

Однако такой способ представления полей в графической форме не совсем удобен. Гораздо удобнее изображать электрическое поле с помощью силовых линий.

Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (или в бесконечности). Соответственно силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным.

Силовые линии принято изображать так, чтобы их густота была больше там, где больше напряжённость электростатического ноля.

Таким образом, если известна картина силовых линий электрического поля, то можно судить о величине и направлении напряжённости поля в различных точках.

Важно отметить, что силовые линии не мо-

гут пересекаться. Это видно из следующего.

Направление напряжённости совпадает с направлением касательной к силовой линии.

Если силовая линия псрссскастся в какой-либо точке с другой силовой линией, то касательные к этим линиям имеют разные направления.

Но напряжённость в любой точке имеет одно определённое направление, иметь два разных направления она не может. Поэтому и невозможно пересечение двух силовых линий.

Наряду с силовыми линиями для графического представления электростатических полей используют эквипотенциальные поверхности, т. с. поверхности, вес точки которых имеют одинаковый потенциал.

Пересечение эквипотенциальной поверхности с плоскостью листа даёт эквипотенциальную линию.

При построении картины поля с помощью эквипотенциальных линий важно, чтобы разность потенциалов между соседними эквипотен- циалями была одинакова для всей картины. Лишь в этом случае картина поля будет корректной.

Силовые линии и эквипотенциали всегда пересекаются под прямым углом.

Источник

10 класс

§ 60. Графическое изображение электрических полей

Линии напряжённости электрического поля.

Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости поля в той же точке поля. Такие линии называют силовыми линиями или линиями напряжённости электрического поля. Отметим их особенности.

1. Предположим, что вблизи положительного точечного заряда нет других положительных зарядов (рис. 9.19, а), а отрицательные заряды расположены на бесконечно большом расстоянии. Линии напряжённости как бы выходят из положительного точечного заряда и идут в бесконечность. Если точечный заряд, образующий электрическое поле, отрицательный, то линии напряжённости сходятся к этому заряду (рис. 9.19, б).

3. Так как электрическое поле существует в любой точке пространства, то через любую его точку можно провести силовую линию. Напряжённость поля в каждой точке пространства имеет определённое направление и значение. Поэтому через эту точку можно провести только одну силовую линию. Тем самым, силовые линии нигде не пересекаются и не прерываются в точках, где нет источников поля.

4. Силовые линии электростатического поля не замкнуты; они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных зарядах. На рисунках 9.21 и 9.22 представлены картины электрических полей, созданных двумя разноимёнными и одноимёнными точечными зарядами, равными по модулю.

5. Условились изображать линии напряжённости электростатического поля так, чтобы число линий, исходящих от положительного заряда или заканчивающихся на отрицательном заряде, было пропорционально модулю этого заряда. Чем гуще линии напряжённости в определённой области пространства, тем больше модуль его напряжённости. И наоборот, чем более разрежены линии напряжённости в определённой области пространства, тем меньше модуль его напряжённости.

Кроме того, чем дальше от заряда расположена интересующая нас точка пространства, тем меньше густота силовых линий поля в ней. Следовательно, тем меньше модуль напряжённости электростатического поля и тем с меньшей силой будет это поле действовать на помещённый в поле пробный заряд.

6. На рисунке 9.23 показана картина силовых линий электростатического поля, созданного двумя параллельными металлическими пластинами. Им сообщены равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Из рисунка 9.23 видно, что в пространстве между пластинами вдали от краёв пластин силовые линии параллельны: электростатическое поле здесь одинаково во всех точках.

Электрическое поле, напряжённость которого одинакова (по модулю и направлению) во всех точках пространства, называют однородным.

В ограниченной области пространства электрическое поле можно считать приблизительно однородным, если напряжённость поля внутри этой области меняется незначительно (по модулю и направлению).

Наблюдение силовых линий электрического поля.

Линии напряжённости позволяют представить распределение электрического поля в пространстве. Однако они не более реальны, чем меридианы и параллели на земном шаре. Тем не менее силовые линии можно сделать «видимыми». Для этого нужно металлические тела (электроды) соединить с полюсами электростатической машины и погрузить в вязкий диэлектрик (например, в касторовое или вазелиновое масло). В эту жидкость следует насыпать и хорошо перемешать продолговатые частицы изолятора (например, хинина, манной крупы, семян или мелко настриженный волос).

При зарядке электродов в жидкости создаётся достаточно сильное электрическое поле, под действием которого частицы диэлектрика поляризуются: на их концах возникают заряды противоположного знака (подробно этот процесс будет рассмотрен в § 66 «Диэлектрики в электростатическом поле»). Частицы поворачиваются во внешнем электрическом поле вдоль линий напряжённости, и заряды на их концах взаимодействуют друг с другом. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые — отталкиваются. В результате частицы диэлектрика выстраиваются вдоль силовых линий (рис. 9.24).

Вопросы:

1. Что называют силовыми линиями (линиями напряжённости) электрического поля?

2. Какими свойствами обладают линии напряжённости электрического поля?

3. Какое электрическое поле можно считать однородным?

Вопросы для обсуждения:

1. По картине силовых линий электростатического поля (рис. 9.25) определите, в какой из точек А, В или C модуль напряжённости поля наибольший. Как направлен вектор напряжённости поля в этих точках?

2. Как можно графически определить, является ли электрическое поле однородным или неоднородным? Является ли однородным поле неподвижного точечного заряда?

Источник

Графическое изображение электрических полей

Электрическое поле графически изображается с помощью электрических силовых линий. Электрическими силовыми линиями называют линии, показывающие направление действия сил электрического поля на положительный заряд, помещенный в это электрическое поле.

Направление электрических силовых линий в каждой точке совпадает с касательной, создаваемой направлением вектора напряженности в этой точке. Чем больше напряженность электрического поля, тем больше плотность электрических силовых линий.

Электрическое поле может быть однородным и неоднородным. Однородным электрическим полем называется такое, во всех точках которого электрические силовые линии имеют одинаковую плотность и одно направление. На рисунке 1 показано однородное электрическое поле в средней части между двумя параллельными плоскостями, имеющими разноименные заряды.

Рисунок 1

Если плотность электрических линий неодинакова в различных точках электрического поля, то такое поле называется неоднородным. На рисунке 2 показано неоднородное электрическое поле созданное двумя одноименными зарядами. Электрические силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность.

Рисунок 2

Электрические силовые линии не пересекаются. Это очевидно из того, что вектор напряженности электрического поля в любой точке поля может иметь только одно направление. Нельзя думать, что электрические силовые линии существуют в действительности. Они являются только наглядным способом изучения электрических полей и показывают действительное направление вектора напряженности в данной точке электрического поля.

Распределение электрического поля в пространстве может быть охарактеризовано не только электрическими силовыми линиями, но и поверхностями разного потенциала—эквипотенциальными поверхностями. Вокруг заряженного шара (рисунок 3) точки с равным потенциалом находятся на сферической поверхности, окружающей заряженный шар.

Рисунок 3

На рисунке 4 сплошными линиями показаны эквипотенциальные поверхности электрического поля, созданного двумя разноименными зарядами. Так как в любых точках одной и той же эквипотенциальной поверхности потенциалы равны, то силы поля не совершают работу по перемещению электрического заряда по эквипотенциальной поверхности, поэтому векторы напряженности электрического поля направлены перпендикулярно к этой поверхности, то есть электрические силовые линии в точке пересечения с эквипотенциальными поверхностями перпендикулярны к ним.

Рисунок 4

Как установлено опытом, напряженность электрического поля нескольких зарядов в данной точке равно геометрической сумме напряженностей электрических полей зарядов в этой точке, создаваемых всеми отдельными зарядами независимо друг от друга E=E₁++E₂+…+E_n. Если электрическое поле создано несколькими зарядами, то для определения в данной точке поля результирующей напряженности, созданной всеми зарядами, применяют принцип наложения, который также называется принципом суперпозиции.

Рисунок 5

Принцип наложения заключается в том, что сначала определяют напряженность E₁, создаваемую в точке М (рисунок 5) только одним зарядом Q₁, предполагая, что второго заряда Q₂ в электрическом поле нет, а затем определяют напряженность E₂, создаваемую только зарядом Q₂ в той же точке М, предполагая, что первого заряда Q₁ в электрическом поле нет.

Напряженность электрического поля, созданного зарядами Q₁ и Q₂, равна сумме Е=Е₁+Е₂.

Источник

Напряженность электрического поля и его графическое изображение

На единичный положительный заряд, помещенный в любую точку электрического поля, будет действовать некоторая сила.

Определение: Сила, действующая на единичный неподвижный положительный заряд в данной точке поля, называется напряженностью электрического поля.

Измеряется напряженность поля в вольтах на метр (в/м).

Если в данной точке поля находится заряд q и поле действует на него с силой F, то напряженность поля Е можно определить по формуле

Если в данной точке поля находится единичный заряд (т. е. q=1), то E = F. Это соответствует данному выше определению напряженности электрического поля.

Пример. В электрическом поле находится заряд q = 0,004 кулона. На заряд действует сила F = 4 ньютонам. Определить напряженность электрического поля.

Решение.

Кулон — заряд, переносимый через поперечное сечение проводника в одну секунду при неизменяющейся силе тока, равной одному амперу.

Следует подчеркнуть разницу между понятиями «напряженность электрического поля» и «напряжение». Напряженность характеризует поле в данной точке через величину силы, действующей на единичный положительный заряд, находящийся в этой точке. Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, или работа, совершаемая силами поля при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую.

ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Мы уже знаем, что вокруг электрического заряда существует электрическое поле, проявляющееся, в частности, в том, что на пробный заряд, внесенный в это поле, действует механическая сила. Кроме того, нужно обратить внимание и еще на одно очень важное обстоятельство: пробный заряд под действием электрического поля всегда перемещается в определенном направлении. Например, если поле создано положительно заряженным шаром, то пробный положительный заряд отталкивается от шара и перемещается в направлении радиуса шара. Если бы шар был заряжен отрицательно, то пробный положительный заряд притягивался бы к шару, но опять перемещался бы в направлении радиуса.

В поле, созданном несколькими зарядами, перемещение пробного заряда происходило бы по более сложной траектории.

Перемещение пробного заряда q в электрическом поле происходит под действием силы поля (F). В электрическом поле можно провести линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением силы F, действующей па пробный заряд. Такие линии называются электрическими силовыми линиями (рис. 1).

Рисунок 1. Электрическая силовая линия.

Электрические силовые линии позволяют характеризовать электрическое поле. Ими пользуются при объяснении многих электрических явлений.

Следует твердо помнить об условности понятия «электрическая силовая линия». Это не что иное, как графическое изображение реально существующего электрического поля. Пользуясь таким условным изображением, можно наглядно и просто охарактеризовать направление движения зарядов в поле, уяснить характер взаимодействия заряженных тел и т. д.

В дальнейшем мы будем неоднократно использовать термин «электрические силовые линии», не оговаривая каждый раз его условность.

Для ряда простых случаев графическое построение электрического поля не вызывает затруднений. Нужно только помнить следующее:

— силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным (направление движения пробного положительного заряда);

— силовые линии начинаются на положительном заряде и кончаются на отрицательном;

— силовые линии должны быть направлены всегда перпендикулярно поверхности заряженного тела.

На рис. 2 и 3 показаны примеры графического изображения электрических полей. Направление силовых линий обозначается стрелками.

Рисунок 2. Силовые линии электрического поля, образованные точечным зарядам: слева-положительным, справа-отрицательным.

Рисунок 3. Силовые линии электрического поля, образованные двумя зарядам: слева-двумя разноименными, справа-двумя одноименными.

Следует запомнить, что положительный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Наоборот, отрицательный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник