Потенциальная энергия любой системы тел, взаимодействующих посредством потенциальных сил, зависит от выбора нулевой точки (нулевого уровня). Однако изменение потенциальной энергии однозначно характеризует процесс перехода системы из одного состояния в другое. Это также относится к изменению потенциальной энергии заряженной частицы (заряда) в электростатическом поле.
Физика. 10 класс
Потенциальная энергия любой системы тел, взаимодействующих посредством потенциальных сил, зависит от выбора нулевой точки (нулевого уровня). Однако изменение потенциальной энергии однозначно характеризует переход системы из одного состояния в другое. Это справедливо и для изменения потенциальной энергии заряженной частицы (заряда) в электростатическом поле.
Разница потенциалов. Движение заряженных частиц в электростатическом поле, сопровождающееся изменением их потенциальной энергии, характеризуется понятием “разность потенциалов”. Как и увеличение потенциальной энергии, разность потенциалов не зависит от выбора нулевой точки. Пусть заряд образца q0 движется в электростатическом поле под действием силы поля из точки 1 к вещам 2чьи потенциалы φ1 и φ2 (рис. 118).
Разность потенциалов U12 между двумя точками в электростатическом поле – это физическая скалярная величина, равная отношению работы, затраченной силой поля на перемещение пробного заряда из начальной точки в конечную, к величине этого заряда:
Учитывая выражения (21.3) и (21.4), получаем:
Из выражения (22.1) следует, что разность потенциалов численно равна потере потенциальной энергии единичного пробного заряда, движущегося в поле.
Противоположный знак разности потенциалов называется приращением потенциала Δφ12 = φ2 – φ1 = -( φ1 – φ2) = –U 12.
Единицей разности потенциалов в СИ является вольт (В). 1 В – разность потенциалов U12 двух точек поля, для которых заряд 1 Кл смещен из точки 1 к чему-то 2 сила, действующая на заряд со стороны поля, совершит работу, равную 1 Дж.
Обратите внимание, что когда мы говорим о “потенциале поля в точке”, мы всегда имеем в виду разность потенциалов между этой точкой и точкой, где потенциал поля принимается равным нулю.
Потенциал проводника можно измерить с помощью электрометра. Для этого проводник подключается к стрелке электрометра, корпус которого заземлен. Отклонение стрелки электрометра указывает на наличие разности потенциалов между проводником и Землей. Предполагая, что потенциал Земли равен нулю, можно предположить, что электрометр измеряет потенциал проводника.
Если у нас есть два заряженных проводника, то, подключив один к стрелке, а другой к корпусу электрометра, мы измеряем разность потенциалов между заряженными проводниками.
В 1839 году немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс предложил представлять электростатические поля с помощью эквипотенциальных поверхностей.
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам из набора, вам необходимо добавить его в свой личный кабинет, купив в каталоге.
Получите удивительные возможности
Конспект урока “Взаимосвязь между напряжением и стрессом. Эквипотенциальные поверхности”.
В 1839 году немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс предложил представлять электростатические поля с помощью эквипотенциальных поверхностей.
Эквипотенциальная поверхность – это воображаемая поверхность, на которой потенциал одинаков в каждой точке.
Из определения эквипотенциальной поверхности следует, что разность потенциалов между любыми двумя точками на этой поверхности равна нулю.
Давайте вспомним, что Разность потенциалов – это скалярная физическая величина, численно равная отношению работы сил поля по перемещению заряда между данными точками поля к величине этого заряда:
Из этого определения следует, что когда заряд движется вдоль эквипотенциальной поверхности, поле не совершает никакой работы (т.е. его значение равно нулю).
Однако мы знаем, что в общем случае работа сил электростатического поля пропорциональна переносимому заряду, модулю напряженности поля, модулю смещения и косинусу угла между направлением вектора электрической силы и вектором смещения:
Но в записанной формуле значения заряда, модуля интенсивности и модуля сдвига всегда ненулевые. Поэтому значение косинуса угла альфа должно быть равно нулю. Это означает, что угол альфа должен быть равен 90 o . Из этого следует, что линии напряженности поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
Например, эквипотенциальные поверхности однородного электростатического поля – это плоскости, перпендикулярные линиям напряженности. Эквипотенциальные поверхности точечного заряда представляют собой сферы с зарядом в центре.
Зная расположение эквипотенциальных поверхностей, можно определить напряженность поля в любой точке. Например, предположим, что заряд перемещается от одной эквипотенциальной поверхности к другой на расстояние, равное d.
Мы уже знаем, что в этом случае работа, совершаемая электростатическим полем для перемещения заряда, прямо пропорциональна размеру заряда, напряженности поля и модулю движения заряда:
С другой стороны, работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую пропорциональна величине перенесенного заряда и разности потенциалов между начальной и конечной точками:
Разделим первое уравнение для работы на второе:
И из этого выражения мы выражаем модуль напряженности поля:
Полученная нами формула выражает связь между силой и разностью потенциалов (или напряженностью) однородного электростатического поля. На основе этой формулы была введена единица интенсивности СИ – вольт на метр (В/м).
1 В/м – это модуль напряженности такого однородного электростатического поля, в котором напряжение между двумя точками, лежащими на одной линии силы на расстоянии 1 м, равно 1 В.
В итоге мы очень часто сравнивали электростатическое поле с гравитационным полем Земли.
В таблице показана взаимосвязь между механическими и электрическими величинами этих полей. Обсудите их со своим соседом (или соседями) в классе.
Теперь давайте решим несколько простых задач для закрепления материала. Проблема 1. Напряженность однородного электростатического поля, образованного двумя эквипотенциальными поверхностями, составляет 10 кВ/м. Определите расстояние между этими поверхностями, если потенциал одной из них равен 200 В, а потенциал другой – 150 В.
Проблема 2. Отрицательно заряженная капля масла плотностью 900 кг/м3 помещена между двумя противоположно заряженными параллельными пластинами на расстоянии 1 см друг от друга. Найдите модуль заряда капли, если ее радиус равен 8 нм, а напряжение между пластинами равно 650 В.
Рисунок 2: Переход незаряженного объекта в заряженное состояние
Электрический заряд, напряжение, ток, потенциал
Каждый физический объект в окружающем нас мире состоит из множества элементарных частиц, наделенных зарядами. Элементарная частица протон имеет элементарный электрический заряд, который является (условно) позитивный знак, элементарная частица электрон имеет элементарный отрицательный заряд.
Содержание:
Электрический заряд
На сайте электрический заряд это физическая величина, характеризующая способность тел (объектов) к электрическому взаимодействию. Электрический заряд обозначается q (иногда для этого используется заглавная буква) Q), а в Международной системе единиц (СИ) он измеряется в кулонах, [Cl].
Электрический заряд – это дискретная величина, кратная элементарному электрическому заряду одного электрона (по модулю) e = 1,60217*10 -9 Кл.
где N – целое число.
С физической точки зрения 1 кулон [соответствует электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника при силе тока 1 ампер за 1 секунду.
Заряды бывают двух типов: позитивный (+) и отрицательный (-). Такого же рода обвинения отталкивать, а противоположные заряды притягиваются друг к другу.
Сила взаимодействия зарядов направлена вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна размеру зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними (рис. 1).
Рисунок 1: Сила взаимодействия зарядов
где k – коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц измерения;
– единичный вектор, направленный вдоль линии, соединяющей заряды q1 и q2.
Сила взаимодействия между двумя зарядами 
обычно называют Кулоновская сила в честь физика Шарля Кулона, который открыл его существование.
Если объект (система) не обменивается зарядами с окружающей средой, он называется электрическим изолированный .. В такой системе сумма электрических зарядов (положительных и отрицательных) не изменяется во временит.е. действует следующий закон сохранения заряда сохранение заряда.
Большинство тел в природе электрически нейтральныйпотому что они содержат заряды обоих типов в равных количествах. Положительные и отрицательные заряды попарно уравновешивают друг друга. Чтобы привести тело в заряженное состояние, заряды в теле должны быть перераспределены в пространстве путем концентрации аналогичных зарядов в одной области тела. Это может происходить, например, за счет трения или взаимодействия с другим заряженным объектом (рис. 2).
Рисунок 2: Переход незаряженного объекта в заряженное состояние
Электрический заряд создает континуум материи в окружающем пространстве, называемый электрическим полем электрическое поле. Благодаря электрическому полю заряды способны взаимодействовать друг с другом. В электротехнике электрическое поле характеризуется двумя величинами: Интенсивность (характеристика силы) и потенциальный (энергетическая характеристика).
Напряженность электрического поля
Напряженность электрического поля – это физическая, количественная, векторная характеристика электрического поля. Его величина показывает силу, которая действует на пробную точку единичного положительного заряда, помещенную в определенную точку в электрическом поле.
Через сайт точечный заряд это упрощенная модель положительного заряда, в которой его формой и размером можно пренебречь.
Вектор интенсивности 
совпадает по направлению с вектором силы вектор, в котором электрическое поле действует на положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля (рис. 3).
Рис. 3 Вектор интенсивности E , создаваемый зарядом q в точке A
Значение напряженности поля в точке A определяется по формуле
где r – расстояние от заряда q до точки A, k – коэффициент, зависящий от системы единиц измерения.
Графически электрическое поле представлено линиями напряженности электрического поля, которые условно обозначены как выходящие из положительно заряженных элементов и входящие в отрицательно заряженные (рис. 4).
a) Изолированные заряды 
б) Взаимодействующие заряды
Рис. 4. Распределение линий интенсивности для изолированных (a) и взаимодействующих (b) зарядов
Потенциал, напряжение
Физическая величина, равная отношению потенциальной энергии W электрического заряда в электростатическом поле к величине самого заряда q, называется потенциал φ электрического поля
Потенциал – это скалярная величина, которая показывает, какую работу может совершить поле, чтобы переместить единичный положительный заряд в бесконечно удаленную точку. Единицей измерения электрического потенциала является вольт, [В].
Следует отметить, что работа сил электростатического поля по перемещению заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории движения, а зависит только от начального и конечного положений заряда, а также от его размера.
Если существует определенная система, состоящая из N точечных зарядов, его потенциал электрического поля φ будет равна алгебраической сумме потенциалов поля каждого из учитываемых зарядов, т.е.
Напряжение электрического поля – это разность потенциалов между двумя точками в этом поле (рис. 5).
Напряжение (U) – это работа (A), совершаемая силами поля для перемещения заряженных частиц между двумя точками поля.
U = A/q [J/Cl] или [V].
Рисунок 5: Графическая интерпретация напряженности электрического поля
Напряжение является относительной величиной, т.е. оно всегда определяется относительно определенного уровня. Нулевой уровень выбирается произвольно и не влияет на конечное значение напряжения, поскольку он соответствует разности потенциалов в двух точках (т.е. изменению потенциальной энергии). Для простоты расчетов в большинстве случаев потенциал заземленного проводника или земли принимается за нулевой уровень.
Как уже упоминалось выше, электрический напряжение – это разность потенциалов между двумя точками, поэтому ее значение определяется по формуле
В системе СИ единицей напряжения является вольт [В]. С физической точки зрения, значение напряжения 1 В соответствует работе в 1 джоуль при перемещении заряда массой 1 кулон.
E = F / q (1)
§2 Напряженность электрического поля, электрическое поле, электрический потенциал и электрическое напряжение
Напряженность электрического поля. Физическая природа электрического поля и его графическое представление. Электрическое поле существует в пространстве вокруг электрически заряженного тела, которое является одним из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на заряженные тела в поле.
alt=”Рисунок 4. Элементарные электрические поля: a – единичные положительный и отрицательный заряды; b – два противоположных заряда; c – два одинаковых заряда; d – две параллельные и противоположно заряженные пластины (однородное поле)” width=”300″ height=”87″ />.Рис. 4 Элементарные электрические поля: a – одиночные положительный и отрицательный заряды; b – два противоположных заряда; c – два противоположных заряда; d – две параллельные и противоположно заряженные пластины (однородное поле)
Электрическое поле условно представлено линиями электрического поля, которые показывают направления электрических сил, создаваемых полем. По условию, силовые линии направлены в ту сторону, в которую будет двигаться положительно заряженная частица в электрическом поле. Как показано на рисунке 4, линии электрической силы распространяются в разных направлениях от положительно заряженных тел и сходятся у отрицательно заряженных тел. Поле, создаваемое двумя плоскими, разноименно заряженными параллельными пластинами (рис. 4, d) называется однородным.
Электрическое поле можно визуализировать, поместив в поле частицы гипса, взвешенные в жидком масле: они вращаются вдоль поля, находясь вдоль его силовых линий (рис. 5).
Напряженность электрического поля. Электрическое поле действует на введенный заряд q (рис. 6) с силой F. Поэтому напряженность электрического поля можно оценить по силе, с которой определенный электрический заряд, взятый за единицу, притягивается или отталкивается. В электротехнике напряженность поля характеризуется напряженностью электрического поля E. Эта напряженность представляет собой отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:
E = F / q (1)
alt=”Рис. 5. Распределение линий электрического поля: a – заряженный шар; b – полярно заряженные шары; c – полярно заряженные параллельные пластины” width=”300″ height=”64″ />.Рисунок 5. Распределение линий электрического поля: a – заряженный шарик; b – противоположно заряженные шарики; c – противоположно заряженные параллельные пластины
Поле с высоким интенсивность E графически представлено высокоинтенсивными энергетическими линиями; поле низкой интенсивности представлено разреженными энергетическими линиями. С увеличением расстояния от заряженного тела линии поля становятся более разреженными, т.е. напряженность поля уменьшается (см. рис. 4a,b и c). Только в однородном электрическом поле (см. рис. 4, г) напряженность поля одинакова во всех точках поля.
Рис. 6. Диаграмма действия электрического поля на введенный в него электрический заряд q
Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным количеством энергии, т.е. способностью совершать работу. Известно, что энергия также может быть запасена в пружине путем ее сжатия или растяжения. Эта энергия может быть использована для производства определенного количества работы. Если отпустить один конец пружины, она может сдвинуть тело, соединенное с этим концом, на определенное расстояние. Аналогично, энергию электрического поля можно реализовать, поместив на него заряд. Под действием силы поля этот заряд будет двигаться в направлении линий поля и совершать определенную работу.
Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, было введено специальное понятие – электрический потенциал. Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля, чтобы переместить единицу положительного заряда из поля в данную точку.
Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек на поверхности Земли. Очевидно, что подъем локомотива в точку B (Рисунок 7) требует больше работы, чем подъем в точку A. Поэтому локомотив, поднятый до H2, сможет совершить больше работы во время спуска, чем локомотив, поднятый до H2 Уровень моря обычно принимается за нулевой уровень, от которого ведется отсчет высоты.
alt=”Рис. 7. Перепад уровней в гравитационном поле Земли” width=”300″ height=”76″ />Рис. 7. Перепад уровней в гравитационном поле Земли
Рис. 8. Разность потенциалов U между точками A и B электрического поля определяет работу, которая затрачивается на перемещение заряда q между этими точками
Аналогично, потенциал земной поверхности условно принимается за нулевой потенциал.
Электрическое напряжение. Разные точки в электрическом поле имеют разные потенциалы. Обычно нас не очень интересует абсолютное значение потенциалов различных точек в электрическом поле, но важно знать разность потенциалов ?1-?2 между двумя точками поля A и B (рис. 8). Разность потенциалов между ?1 и ?2 двух точек поля характеризует работу, совершаемую силами поля для перемещения единичного заряда из одной точки поля с высоким потенциалом в другую точку с более низким потенциалом. Аналогично, на практике нас не очень интересуют абсолютные высоты H1 и H2 точек A и B над уровнем моря (см. рис. 7), но для нас важна разница в уровнях À между этими точками, потому что для перемещения локомотива из точки À в точку Â необходимо затратить работу, которая зависит от величины À. Разность потенциалов между двумя точками поля называется электрическим напряжением. Электрическое напряжение обозначается буквой U (i). Численно она равна отношению работы W, необходимой для переноса положительного заряда q из одной точки поля в другую, к этому заряду, т.е.
U = W / q (2)
Поэтому напряжение U, действующее между различными точками электрического поля, описывает энергию, запасенную в этом поле, которая может быть отдана движением электрических зарядов между этими точками.
Электрическое напряжение – это важнейшая электрическая величина, позволяющая рассчитать работу и мощность, возникающие при движении зарядов в электрическом поле. Единицей измерения электрического напряжения является вольт (В). В технике напряжение иногда измеряется в тысячных долях вольта – милливольтах (мВ) и миллионных долях вольта – микровольтах (мкВ). Для измерения более высоких напряжений используются более крупные единицы, киловольты (кВ) – тысячи вольт.
Напряженность электрического поля в однородном поле – это отношение электрической напряженности, действующей между двумя точками в поле, к расстоянию l между этими точками:
E = U / l (3)
Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м). При напряженности поля 1 В/м на заряд массой 1 Ньютон (1 Н) действует сила 1 Кл. В некоторых случаях используются более крупные единицы измерения напряженности поля В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).
Слово “электричество” происходит от греческого слова electron – янтарь, который электризуется при трении о шерстяную ткань. В природе известны два типа электрического заряда, которые условно называются положительным и отрицательным зарядами. Их взаимодействие также известно: заряды с одинаковыми именами отталкиваются друг от друга, заряды с разными именами притягиваются друг к другу.
Физика B1.B8.
Электростатика 1. Электрические заряды
Слово “электричество” происходит от греческого слова “электрон”. Янтарь, который электризуется при трении о шерстяную ткань. В природе существует два типа электрических зарядов, которые условно называются положительным и отрицательным зарядами. Их взаимодействие также известно: одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.
Электрический заряд любого тела состоит из числа элементарных зарядов, равных примерно Этот заряд – заряд отрицательно заряженной частицы, называемой электроном. Электрон имеет массу покоя приблизительно. . Кроме отрицательно заряженного электрона существуют частицы с положительным элементарным зарядом. Стабильной частицей с положительным элементарным зарядом является протон. Протон является ядром атома водорода, самого легкого элемента таблицы Менделеева. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона . Протон – это частица, образующая ядра всех элементов и определяющая заряд ядра. Электроны в атомах образуют электронную оболочку атома. Они могут покидать электронную оболочку атома или молекулы, превращая ее в положительный ион; они также могут присоединяться к другому атому или молекуле, превращая эти молекулы в отрицательный ион. Перенос электронов может происходить не только между атомами или молекулами, но и между телами, например, при их контакте друг с другом. Это явление называется электризацией тел при контакте. При электризации одни тела имеют избыток электронов, такие тела заряжены отрицательно, а другие тела имеют дефицит электронов, такие тела заряжены положительно. Однако во всех случаях выполняется один из основных законов физики – закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма зарядов частиц или тел, образующих электрически изолированную (замкнутую) систему, не изменяется под влиянием процессов, происходящих в этой системе. Электрически изолированная система – это система тел (частиц), которые не обмениваются зарядами с телами, не входящими в систему.
Более распространенными являются поля, интенсивность которых меняется от точки к точке. Их линии интенсивности имеют сложную конфигурацию.
Электрическое поле: определение, классификация, характеристики
Нас окружает материальный мир. Мы воспринимаем материю с помощью зрения и других органов чувств. Особым видом материи является электрическое поле, которое можно обнаружить только при его взаимодействии с заряженными телами или приборами. Он генерирует магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.
Определение
Электрическое поле неотделимо от магнитного поля и является результатом его изменения. Эти два типа материи являются компонентами электромагнитных полей, которые заполняют пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.
Таким образом, этот термин обозначает особый вид материи, которая обладает собственной энергией и является компонентом векторного электромагнитного поля. Электрическое поле не имеет границ, но его силовое воздействие стремится к нулю при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].
Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное движение носителей заряда.
Рис. 1 Определение электрического поля
Энергия электрического поля подчиняется закону сохранения. Она может быть преобразована в другие формы или превращена в работу.
Силовой характеристикой полей является их напряженность – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на положительный заряд образца, к величине этого заряда.
Характерные физические свойства:
- Реагирует на присутствие заряженных частиц;
- Взаимодействует с магнитными полями;
- это движущая сила, перемещающая заряды – как положительные ионы, так и отрицательные заряды в металлических проводниках;
- можно определить, только наблюдая за проявлением действия.
Он всегда окружает неподвижные статические заряды (которые не меняются со временем) и поэтому называется электростатическим. Эксперименты подтверждают, что в электростатическом поле действуют те же силы, что и в электрическом.
Электростатическое действие поля на заряженные тела можно наблюдать, поднося наэлектризованную эбонитовую палочку близко к небольшим предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут притягивать или отталкивать палочку.
Сильные электростатические поля возникают вблизи сильных электрических разрядов. Заряды перераспределяются на поверхности проводника, находящегося в зоне разряда.
Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что свидетельствует о воздействии электрического поля.
Классификация
Электрические поля могут быть двух типов: однородные и неоднородные.
Однородное электрическое поле
Состояние поля определяется пространственным распределением линий напряженности. Если векторы напряженности одинаковы по модулю, а также компланарны во всех точках пространства, то электрическое поле является однородным. В нем линии интенсивности расположены параллельно.
Примером может служить электрическое поле, создаваемое противоположными зарядами на участке плоской металлической пластины (см. рис. 2).
Рис. 2 Пример однородности
Неоднородное электрическое поле
Чаще всего встречаются поля с разной интенсивностью в разных точках. Их линии интенсивности имеют сложную конфигурацию.
Простейшим примером неоднородности является электрический диполь – расположение двух разноименно заряженных зарядов, взаимодействующих друг с другом (см. рис. 3).
Хотя векторы напряженности электрического диполя образуют красивые линии, поскольку они не равны, такое поле является неоднородным. Вихревые поля имеют более сложную конфигурацию (рис. 4). Их неоднородность очевидна.
Рисунок 3: Электрический диполь Рисунок 4: Вихревые поля
Характеристики
Основными характеристиками являются:
- потенциал;
- интенсивность;
- напряжение.
Потенциал
Этот термин относится к соотношению потенциальной энергии Wкоторый заряд образца имеет q′ в данной точке к его величине. Выражение φ=W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.
Другими словами: количество запасенной энергии, которая потенциально может быть затрачена на совершение работы по перемещению единичного заряда в бесконечность или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом электрического поля в этой точке.
Энергия поля вычисляется относительно этой точки. Здесь он также называется потенциалом. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из самых важных характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая может совершить определенную работу, когда ее разжимают.
Единицей измерения потенциала является 1 вольт. Когда точка бесконечно удалена от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.
Напряженность поля
Известно, что электрическое поле единичного заряда q действует с силой F на точечный заряд зонда, как бы далеко он ни находился. Сила, действующая на изолированный положительный точечный заряд, называется силой и обозначается через E.
Сила – это векторная величина. Значение модуля вектора интенсивности составляет: E=F/q′.
Линии напряженности электрического поля (называемые силовыми линиями), являются касательными, которые совпадают с ориентацией векторов сил в точках касания. Плотность линий поля определяет величину напряженности поля.
Рис. 5 Электрическое поле положительного и отрицательного векторов напряжения
Напряженность электрического поля вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, задается законом Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называются кулоновскими.
Векторы интенсивности положительного точечного заряда направлены от него, а векторы интенсивности отрицательного точечного заряда направлены внутрь (в направлении заряда). Направления векторов кулоновского поля можно увидеть на рисунке 6.
Рис. 6 Направление линий интенсивности положительных и отрицательных зарядов
Принцип суперпозиции действителен для кулоновских полей. Суть этого принципа заключается в следующем: вектор интенсивности нескольких зарядов может быть представлен как геометрическая сумма интенсивностей, создаваемых каждым отдельным зарядом в этой системе.
Для общего случая распределения заряда имеем:
Линии интенсивности схематично показаны на рисунке 7. На рисунке показаны линии, характерные для полей:
- электростатический;
- диполь;
- система и аналогичные – идентичные обвинения;
- однородное поле.
Рис. 7. Линии интенсивности различных полей
Напряжение
Поскольку силы электрического поля могут совершать работу по перемещению элементарных носителей заряда, существование поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда перемещаются из точки с большим потенциалом в точку с меньшим потенциалом. Таким образом, часть энергии используется для выполнения работы, связанной с движением.
Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения элементарных носителей заряда) на концах проводника должна поддерживаться разность потенциалов, называемая также напряжением. Чем больше эта разница, тем больше совершается работа, тем сильнее ток на данном расстоянии. Источники тока отвечают за поддержание разности потенциалов.
Методы обнаружения
Человеческие органы чувств не воспринимают электрическое поле. Поэтому мы не можем их видеть, ощущать вкус или запах. Единственное, что может почувствовать человек, – это выпрямление волос вдоль линии натяжения. Мы просто не замечаем присутствия слабых аффектов.
Мы можем обнаружить их при контакте с маленькими кусочками бумаги, шариками бузины и т.д. Электрическое поле взаимодействует с электроскопом – его лепестки реагируют на такое воздействие.
Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Он всегда располагается вдоль линии напряжения.
Существуют очень чувствительные электронные приборы, которые могут легко определить наличие электростатических полей.
Методы расчета электрических полей
Для расчета параметров используются различные аналитические или численные методы
- Метод сеток или конечных разностей;
- Метод эквивалентного заряда;
- вариационные методы;
- вычисления интегральных уравнений и другие.
Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в целом используются перечисленные численные методы.
Применение
Изучение свойств электрических полей открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создать источники электричества.
Свойства электрических полей позволили создать различные устройства, используемые в медицине, химической промышленности и электротехнике. Разрабатываются устройства, которые используются для беспроводной передачи энергии потребителю. Примером могут служить устройства для беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передаче электроэнергии на большие расстояния.
Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, были разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот метод оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.
К сожалению, иногда необходимо нейтрализовать полевые силы. Обладая способностью наэлектризовывать находящиеся поблизости предметы, электрические поля серьезно мешают нормальной работе электронных устройств. Накопление статического электричества часто вызывает сбои в работе интегральных схем и полевых транзисторов.
Читайте далее:- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Значение слова 'потенциал' в 9 словарях.
- Электрическое поле; FIZI4KA.
- Как и откуда берутся молнии: типы, физическая природа, причины. Физика атмосферы.
- Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда.
- Разность потенциалов – это разность потенциалов. Что такое разность потенциалов?.
- Потенциал электростатического поля. Разница потенциалов.