Что такое электрическое поле: объяснение простыми словам

Какими свойствами обладает электрическое поле

Есть такой термин в физике, как «Электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел.

Оно применяется на практике и встречается в повседневной жизни.

В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и какие его свойства, а также, где оно возникает и применяется.

Электрическим полем называется материя, обеспечивающая взаимодействие электрических зарядов в нем. Оно может быть порождено как электрическим зарядом, так и изменяющимся магнитным потоком.

В первом случае оно называется электростатическим, во втором — вихревым.

Без этого поля не может возникнуть электрический ток, но чтобы знать, как он возникает, следует ознакомиться с основными характеристиками электрческого поля.

Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

где q₁ и q₂ — величины зарядов в кулонах, ε — диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.

Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.

Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:

1. Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу. Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.
2. Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.

Силовые линии электрического поля, индуцированного электрическим зарядом, незамкнуты. Замкнуты они только у вихревого поля, которое формируется вокруг изменяющегося магнитного потока.

Таковы основные свойства электрического поля.

Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами.

Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.

Основные характеристики

Их можно описать при помощи математических закономерностей, а некоторые — выразить графически.

Последние характеристики являются векторными, то есть имеющими направление.

Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось. Основными параметрами поля являются:

Основными параметрами поля являются:

1. напряженность;
2. потенциал;
3. индукция.

Напряженность поля

Это силовая характеристика электрического поля. Величина это векторная, и она характеризует силу, с которой поле воздействует на заряд в конкретной точке. Математически это выражается так:

Ē = F̄/q.

Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Таким образом, в каждой точке поля его напряженность разная, и зависит она от заряда, который оно создает, условий среды и величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния до точки.

Если поле создано двумя зарядами, то результирующая напряженность рассчитывается графически — при помощи сложения векторов напряженностей от каждого отдельного источника. Этот способ получил название принципа суперпозиции.

Потенциалы и их разность

Электрическое поле способно совершать работу. Если пробный заряд передвигать в поле, то работа, выполненная эл.

полем, будет зависеть от начального и конечного расстояние от пробного заряда до центра эл. поля. Сравнить это можно с человеком, который собрался прыгать с крыши.

Пока он находится на высоте десятого этажа, его потенциальная энергия будет равна:

W = -GMm / Rr.

Или если учесть соразмерность земли и человека:

W = mgh.

Пока человек не прыгнул, он обладает потенциальной энергией. Когда же он, наконец, упадет, гравитационное поле совершит работу, численно равную вышеуказанной величине. При этом не учитывается горизонтальное перемещение — эту работу совершал сам покойный.

Электрическое поле работает сходным образом. Пробный заряд q₁, помещенный в него, обладает потенциальной энергией:

Обнаружение электрического поля

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

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

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

Электрическое поле

Многочисленные опыты по притяжению или отталкиванию заряженных тел свидетельствуют о том, что электрически заряженные тела взаимодействуют на расстоянии. Но остаётся неясным вопрос о том, как именно одно заряженное тело воздействует на другое.

ОКАЗЫВАЕТ ЛИ ВЛИЯНИЕ ВОЗДУХ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ЗАРЯДАМИ

Мы вправе задать вопрос: нет ли между заряженными телами какой-либо материальной связи, например невидимых нитей или элементов среды, посредством которых осуществляется взаимодействие? Может быть, здесь главную роль играет воздух, находящийся между заряженными телами? Для проверки обратимся к опыту. Поместим под колокол воздушного насоса заряженный электроскоп и выкачаем из-под него воздух. В безвоздушном пространстве лепестки электроскопа отталкиваются так же, как и в воздушной среде. Следовательно, воздух не является посредником, осуществляющим взаимодействие между заряженными телами.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Великий английский физик Майкл Фарадей впервые выдвинул идею, что электрически заряженные тела не действуют друг на друга непосредственно. Каждое из них создаёт в окружающем пространстве электрическое поле.

Понятие поля в современной физике занимает одно из центральных мест. Электрическое поле — это особый вид материи, оно непрерывно в пространстве и оказывает воздействие на другие заряды. По мере удаления от заряда, создающего поле, действие поля ослабевает.

Электрическое поле, как и электрический заряд, можно изучать через его взаимодействие с окружающими телами. Действие электрического поля можно обнаружить, если поместить в это поле какое-либо заряженное тело.

Окончательное развил идеи Фарадея и создал теорию электромагнитных явлений английский учёный Дж. Максвелл.

Идея прямого взаимодействия тел была впервые использована Ньютоном при формулировке закона всемирного тяготения. В учении об электричестве вначале также возникла теория прямого действия на расстоянии через пустоту (теория дальнодействия). Эксперименты подтвердили правильность гипотезы Фарадея, бывшего противником теории дальнодействия.

ПОНЯТИЕ ТОЧЕЧНОГО ЗАРЯДА

Мы уже знаем, что носителем элементарного заряда является электрон. Он входит в состав атомов, из которых построены тела.

Проведём аналогию с задачей о движении тела, для удобства описания которого мы вводили понятие точки и далее говорили о траектории точки, скорости точки и т. п. При изучении электрических явлений и их описании вводится понятие точечного заряда, т. е., говоря о взаимодействии заряженных тел, мы будем рассматривать взаимодействие точечных зарядов.

Итак, точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь.

СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Наши представления о свойствах электрического поля складываются на основе опытов по взаимодействию заряженных тел.

Главное свойство электрического поля — способность действовать на отдельные заряженные частицы (электроны, ионы, протоны) и на электрически заряженные тела с некоторой силой. Основные характеристики поля можно установить, изучив его действие на точечный (пробный) заряд.

Для наглядности электрическое поле принято изображать при помощи так называемых силовых линий.

Силовые линии поля точечного заряда начинаются на положительном заряде и выходят из него. При этом каждая силовая линия заканчивается на отрицательном заряде.

Изображение электрического поля при помощи силовых линий позволяет наглядно представить степень воздействия поля на заряд: чем гуще силовые у линии, тем сильнее поле действует на заряд.

Силовые линии электрического поля можно наблюдать на опыте. Если мелкие кусочки шерсти насыпать на стеклянную пластинку и поместить её над заряженным телом, то кусочки шерсти под действием электрического поля переориентируются. Они расположатся вдоль силовых линий электрического поля.

Силовые линии нигде не пересекаются. Это показано на примере поля двух одноименных точечных зарядов и двух разноимённых.

Майкл Фарадей (1791—1867) — английский физик и химик, основоположник учения об электромагнитном поле.

Джеймс Клерк Максвелл (1831 — 1879) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Электрическое поле».

Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).

Просмотров:
2 134

Носители зарядов и их движение

При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.

Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.

В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.

Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.

Рис. 1. Распределение зарядов в проводнике

Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.

Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:

Результирующий вектор напряженности

Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:

Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.

Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.

Рис. 2. Выводы

Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела

Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.

Поле электрического смещения

Окончательное уравнение векторных полей

В присутствии вещества полезно распространить понятие электрического поля на три векторных поля:

Dзнак равноεE+п{\ Displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon _ {0} \ mathbf {E} + \ mathbf {P} \!}

где P — электрическая поляризация — объемная плотность электрических дипольных моментов , а D — поле электрического смещения . Так как Е и Р определены отдельно, это уравнение может быть использовано для определения D . Физическая интерпретация D не так ясна, как E (фактически поле, приложенное к материалу) или P (индуцированное поле из-за диполей в материале), но все же служит удобным математическим упрощением, поскольку уравнения Максвелла можно упростить в условия .

Учредительное отношение

В E и D полей связаны диэлектрической проницаемости материала, е .

Для линейных, однородных , изотропных материалов E и D пропорциональны и постоянны по всей области, нет зависимости от положения: для неоднородных материалов существует зависимость от положения по всему материалу:

D(р)знак равноεE(р){\ Displaystyle \ mathbf {D (г)} = \ varepsilon \ mathbf {E (r)}}

Для анизотропных материалов поля E и D не параллельны, и поэтому E и D связаны тензором диэлектрической проницаемости ( поле тензора 2-го порядка ) в компонентной форме:

Dязнак равноεяjEj{\ displaystyle D_ {i} = \ varepsilon _ {ij} E_ {j}}

Для нелинейных сред E и D непропорциональны. Материалы могут иметь различную степень линейности, однородности и изотропности.

Электрические поля и проводники

В статическом случае (т.е. когда заряды покоятся) электрическое поле внутри хорошего проводника отсутствует. Если бы в проводнике существовало электрическое поле, то на внутренние свободные электроны действовала бы сила, вследствие чего электроны пришли бы в движение
и двигались до тех пор, пока не заняли бы такое положение, при котором, напряженность электрического поля, а стало быть, и действующая на них сила обратились бы в нуль. Из этого рассуждения вытекают любопытные следствия. В частности, если проводник обладает результирующим зарядом, то этот заряд распределяется по внешней поверхности проводника. Этот факт можно объяснить с иной точки зрения. Если, например, проводник заряжен отрицательно, то мы легко можем представить, что отрицательные заряды отталкивают друг друга и устремляются
к поверхности проводника, чтобы расположиться как можно дальше друг от друга. Другое следствие состоит в следующем. Пусть положительный заряд Q помещен в центр полого изолированного проводника в форме сферической оболочки (рис. 22.22).
Поскольку внутри проводника электрического поля быть не может, силовые линии, идущие от положительного заряда, должны заканчиваться
на отрицательных зарядах на внутренней поверхности металлической сферы. В результате на внутренней поверхности сферического проводника будет индуцирован соответствующий отрицательный заряд -Q, а равный по величине положительный заряд +Q распределится по
внешней поверхности сферы (поскольку в целом оболочка нейтральна).
Таким образом, хотя внутри проводника электрическое поле отсутствует, снаружи сферы существует электрическое поле (рис. 22.22), как если бы металлической сферы вовсе не было.

С этим связано также и то обстоятельство, что силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны поверхности проводника. Действительно, если бы вектор напряженности электрического поля Е имел компоненту, параллельную поверхности проводника, то электроны под действием силы двигались бы до тех пор, пока не заняли положение, в котором на них не действует сила, т. е. пока
вектор напряженности электрического поля не будет перпендикулярен поверхности.

Все сказанное относится только к проводникам. В изоляторах, у которых нет свободных электронов, может существовать электрическое поле и силовые линии не обязательно перпендикулярны поверхности.

Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:
— Электрические диполи.
— Расчет напряженности электрического поля Е.
— Движение заряженной частицы в электрическом поле.

Альтернативные статьи: Электрический ток, Закон Ома.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Тестирование онлайн

Взаимодействие заряженных тел

Привыкли считать устаревшие теории утопией, между тем мужи науки вовсе не глупые. Сегодня смешно звучит учение Франклина об электрической жидкости, видный физик Эпинус посвятил целый трактат. Закон Кулона открыт экспериментально на основе крутильных весов, аналогичными методами пользовался Георг Ом при выводе известного уравнения для участка цепи. Но что лежит за всем этим?

Должны признаться, электрическое поле попросту является очередной теорией, не уступающей франклиновой жидкости. Сегодня известно о субстанции два факта:

1. Постоянное электрическое поле существует вокруг заряженного тела. Наличествует два знака частиц, объекты могут притягиваться, отталкиваться. Учат в школе, нет смысла дополнительно здесь обсуждать вопрос. Напряженность поля показывает, в какую сторону будет действовать сила на положительно заряженную частицу – потому, является величиной векторной. Тело окружено линиями эквивалентности, в каждой точке которых направление уникальное. Для точечного заряда расходятся лучами в стороны. Направление определено знаком: векторы стремятся прочь от положительного.

2. Электрическое поле изменяется во времени, пространстве. Согласно уравнениям Максвелла, порождает магнитное, описываемое аналогичным законом. Векторы полей лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях, существуют в тесной взаимосвязи. Электромагнитная волна, повсеместно используемая в быту, технике для передачи информации посредством эфира.

Изложенные факты заложили базис современного представления о взаимодействиях в природе, выступают опорой теории близкодействия. Помимо нее учеными выдвигались другие предположения о сути наблюдаемого явления. Теория близкодействия подразумевает мгновенное распространение сил без участия эфира. Поскольку явления пощупать труднее, нежели электрическое поле, многие философы окрестили подобные взгляды идеалистическими. В нашей стране они успешно критиковались советской властью, поскольку, как известно, большевики недолюбливали Бога, клевали по каждому удобному случаю идею существования чего-либо, “зависимого от наших представлений и поступков” (попутно изучая сверхвозможности Джуны).

Франклин объяснял положительные, отрицательные заряды тел избытком, недостаточностью электрической жидкости.

Примечания

1. М. А. Миллер, Г. В. Пермитин. // Физическая энциклопедия : / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия (тт. 1—2); Большая Российская энциклопедия (тт. 3—5), 1988—1999. — ISBN 5-85270-034-7.
2. Электрическое поле // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
3. Гринберг Г. А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. — М.: АН СССР, 1948. — 727 с.
4. Миролюбов Н. Н., Костенко М. В., Левинштейн М. Л. Методы расчета электростатических полей. — М.: Высшая школа, 1963. — 416 с.
5. Смайт В. Электростатика и электродинамика. — М.: ИЛ, 1954. — 604 с.
6. ↑ Колечицкий Е. С. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 168 с.

Энергия электрического поля

Виды энергии:
	Механическая	Потенциальная Кинетическая
‹›	Внутренняя
	Электромагнитная	Электрическая Магнитная
	Химическая
	Ядерная
G{\displaystyle G}	Гравитационная
∅{\displaystyle \emptyset }	Вакуума
Гипотетические:
	Тёмная
См. также: Закон сохранения энергии

Основная статья: Электромагнитная энергия

Электрическое поле обладает энергией. Плотность этой энергии определяется величиной поля и может быть найдена по формуле

u=12(E→D→),{\displaystyle u={\frac {1}{2}}\left({\vec {E}}{\vec {D}}\right),}

где E — напряжённость электрического поля, D — индукция электрического поля.