Характеристики електричного поля

Що таке електричне поле

Характеристики електричного поляДля того, щоб створити електричне поле, необхідно створити електричний заряд. Властивості простору навколо зарядів (заряджених тіл) відрізняються від властивостей простору, в якому немає зарядів. При цьому властивості простору при внесенні в нього електричного заряду змінюються не миттєво: зміна починається у заряду і з певною швидкістю поширюється від однієї точки простору до іншої.

У просторі, що містить заряд, проявляються механічні сили, що діють на інші заряди, внесені в цей простір. Ці сили є результат не безпосереднього дії одного заряду на інший, а дії через якісно змінилася середу.

Простір, що оточує електричні заряди, в якому проявляються сили, що діють на внесення в нього електричні заряди, називається електричним полем.

Заряд, що знаходиться в електричному полі, рухається в напрямку сили, що діє на нього з боку поля. Стан спокою такого заряду можливо лише тоді, коли до заряду прикладена будь-яка зовнішня (стороння) сила, що врівноважує силу електричного поля.

Як тільки порушується рівновага між сторонньої силою і силою поля, заряд знову починає рухатися. Напрямок його руху завжди збігається з напрямком більшої сили.

Для наочності електричне поле прийнято зображати так званими силовими лініями електричного поля. Ці лінії збігаються з напрямом сил, що діють в електричному полі. При цьому домовилися проводити стільки ліній, щоб їх число на кожен 1 см2 майданчика, встановленого перпендикулярно до ліній, було пропорційно силі поля у відповідній точці.

За направлення поля умовно прийнято напрямок сили поля, що діє на позитивний заряд, поміщений в дане поле. Позитивний заряд відштовхується від позитивних зарядів і притягується до негативних. Отже, поле направлено від позитивних зарядів до негативних.

Напрямок силових ліній позначається на кресленнях стрілками. Наукою доведено, що силові лінії електричного поля мають початок і кінець, т. Е. Вони не замкнуті самі на себе. Виходячи із прийнятого напрямку поля, встановлюємо, що силові лінії починаються на позитивних зарядах (позитивно заряджених тілах) і закінчуються на негативних.
Приклади зображення електричного поля за допомогою силових ліній: а – електричне поле одиночного позитивного заряду, б – електричне поле одиночного негативного заряду, в – електричне поле двох різнойменних зарядів, г – електричне поле двох однойменних зарядів
Мал. 1. Приклади зображення електричного поля за допомогою силових ліній: а – електричне поле одиночного позитивного заряду, б – електричне поле одиночного негативного заряду, в – електричне поле двох різнойменних зарядів, г – електричне поле двох однойменних зарядів

На рис. 1 показані приклади електричного поля, зображеного за допомогою силових ліній. Потрібно пам’ятати, що силові лінії електричного поля – це лише спосіб графічного зображення поля. Більшого змісту в поняття силової лінії тут не вкладається.

закон Кулона

Сила взаємодії двох зарядів залежить від величини і взаємного розташування зарядів, а також від фізичних властивостей навколишнього їхнього середовища.

Для двох наелектризованих фізичних тіл, розміри яких нехтує малі в порівнянні з відстанню між тілами, квола взаємодії математично визначається наступним чином:

де F – сила взаємодії зарядів в ньютонах (Н), k – відстань між зарядами в метрах (м), Q1 і Q2 – величини електричних зарядів в кулонах (к), k – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від властивостей середовища, що оточує заряди .

Наведена формула читається так: сила взаємодії між двома точковими зарядами прямо пропорційна добутку величин цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (закон Кулона).

Для визначення коефіцієнта пропорційності k служить вираз k = 1 / (4πεεо).

Потенціал електричного поля

Електричне поле завжди повідомляє рух заряду, якщо сили поля, що діють на заряд, що не врівноважуються будь-якими сторонніми силами. Це говорить про те, що електричне поле володіє потенційною енергією, т. Е. Здатністю здійснювати роботу.

Переміщаючи заряд з однієї точки простору в іншу, електричне поле здійснює роботу, в результаті чого запас потенційної енергії поля зменшується. Якщо заряд переміщається в електричному полі під дією будь-якої сторонньої сили, що діє назустріч силам поля, то робота здійснюється не силами електричного поля, а сторонніми силами. В цьому випадку потенційна енергія поля не тільки не зменшується, а, навпаки, збільшується.

Робота, яку здійснює стороння сила, переміщаючи в електричному полі заряд, пропорційна величині сил поля, що протидіють цьому переміщенню. Чинена при цьому сторонніми силами робота повністю витрачається на збільшення потенційної енергії поля. Для характеристики поля з боку його потенційної енергії прийнята величина, яка називається потенціалом електричного поля.

Сутність цієї величини полягає в наступному. Припустимо, що позитивний заряд знаходиться за межами розглянутого електричного поля. Це означає, що поле практично не діє на даний заряд. Нехай стороння сила вносить цей заряд в електричне поле і, долаючи опір руху, який чиниться силами поля, перемістить заряд в дану точку поля. Робота, що здійснюється силою, а значить, і величина, на яку збільшилася потенційна енергія поля, залежить цілком від властивостей поля. Отже, ця робота може характеризувати енергію даного електричного поля.

Енергія електричного поля, віднесена до одиниці позитивного заряду, поміщеного в дану точку поля, і називається потенціалом поля в даній його точці.
Якщо потенціал позначити буквою φ, заряд – буквою q і витрачену на переміщення заряду роботу – W, то потенціал поля в даній точці виразиться формулою φ = W / q.

Зі сказаного випливає, що потенціал електричного поля в даній його точці чисельно дорівнює роботі, яку здійснюють сторонньої силою при переміщенні одиниці позитивного заряду з-за меж поля в дану точку. Потенціал поля вимірюється в вольтах (В). Якщо при перенесенні одного кулона електрики із-за меж поля в дану точку сторонні сили здійснили роботу, рівну одному джоулю, то потенціал в даній точці поля дорівнює одному вольт: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напруга електричного поля

У будь-якому електричному полі позитивні заряди переміщаються від точок з більш високим потенціалом до точок з потенціалом більш низьким. Негативні заряди переміщаються, навпаки, від точок з меншим потенціалом до точок з великим потенціалом. B обох випадках робота відбувається за рахунок потенційної енергії електричного поля.

Якщо нам відома ця робота, т. Е. Величина, на яку зменшилася потенційна енергія поля при переміщенні позитивного заряду q з точки 1 поля в точку 2, то легко знайти напруга між цими точками поля U1,2:

U1,2 = A / q,

де А – робота сил поля при перенесенні заряду q з точки 1 в точку 2. Напруга між двома точками електричного поля чисельно дорівнює роботі, яку здійснює нулі для перенесення одиниці позитивного заряду з однієї точки поля в іншу.

Як видно, напруга між двома точками поля і різниця потенціалів між цими ж точками є одну й ту ж фізичну сутність. Тому терміни напруга і різниця потенціалів суть одне і те ж. Напруга вимірюється в вольтах (В).

Напруга між двома точками дорівнює одному вольт, якщо при перенесенні одного кулона електрики з однієї точки поля в іншу сили поля здійснюють роботу, рівну одному джоулю: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напруженість електричного поля

Із закону Кулона випливає, що величина сили електричного поля даного заряду, що діє на поміщений в цьому полі інший заряд, не у всіх точках поля однакова. Характеризувати електричне поле в кожній його точці можна величиною сили, з якою воно діє на одиничний позитивний заряд, поміщений в даній точці.

Знаючи цю величину, можна визначити силу F, що діє на будь-який заряд Q. Можна написати, що F = Q х Е, де F – сила, що діє з боку електричного поля на заряд Q, поміщений у дану точку поля, Е – сила, що діє на одиничний позитивний заряд, поміщений в цю ж точку поля. Величина Е, чисельно рівна силі, яку відчуває одиничний позитивний заряд в даній точці поля, називається напруженістю електричного поля.

...
ПОДІЛИТИСЯ: