Каким свойством обладает электростатическое поле
Электростатическое поле и его характеристики
Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле. Электростатическое поле – особый вид материи.
Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее.
Электростатическое поле не изменяется во времени.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность
Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.
За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают
Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
или
Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий.
Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.
Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на
отрицательном (Силовые линии электростатических полей точечных зарядов.).
Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем
плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).
Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее).
Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей.
Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным.
Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов.
Потенциал — энергетическая характеристика электрического поля.
Потенциал — скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда.
Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля. φ = W / q
где φ — потенциал в данной точке поля, W- потенциальная энергия заряда в данной точке поля.
За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают [φ] = В (1В = 1Дж/Кл )
За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж.
Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции:
Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала.
Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество.
Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.
Исследование взаимодействия заряженных легких алюминиевых гильз и электрических султанов.
Каким образом осуществляется взаимодействие зарядов?
Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.
Электрическое поле это вид материи посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.
Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем.
Свойства электрического поля:
- Порождается электрическим зарядом.
- Обнаруживается по действию на заряд.
- Действует на заряд с некоторой силой.
- Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·108 м/с.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы , действующей на пробный точечный заряд q, к этому заряду:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.
Напряженность поля не зависит от значения пробного заряда q; определяется зарядами – источниками поля, является силовой характеристикой этого поля.
Единица в СИ – Н/Кл или В/м.
Поле, напряженность которого в любой точке одинакова (E = const), называют однородным.
Напряженность точечного электрического заряда в данной точке зависит от модуля заряда Q и от расстояния до этого заряда R.
Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей.
Электрические поля изображаются графически с помощью линий напряженности.
Неоднородное электрическое поле
Силовая линия (линия напряженности) электрического поля – линия, в каждой точке которой напряженность поля направлена по касательной. Силовые линии поля в электростатике начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора напряженности.
Однородное электрическое поле
На электрический заряд помещенный в однородное электрическое поле действует кулоновская сила способная совершать работу по перемещению электрического заряда.
Работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю. Такие поля называются потенциальными. Для этих поле характерна незамкнутость линий напряженности.
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (разность потенциалов), скалярная физическая величина, выражаемая в вольтах (В); 1В = 1 Дж / 1 Кл.
Потенциал поля в данной точке, находящейся на расстоянии R от заряда Q:
Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным. Следуя принципу суперпозиции полей, можно утверждать, что если в данной точке пространства известен потенциал поля, созданного отдельно каждым из N зарядов (тел), то потенциал суммарного поля равен алгебраической сумме потенциалов каждого из полей
На практике используют разность потенциалов:
В электрическом поле разность потенциалов между двумя любыми точками равна напряжению между этими точками.
Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.
На рисунке показаны эквипотенциальные поверхности точечных положительного и отрицательного зарядов и системы двух положительных зарядов.
Связь между напряженностью электрического поля и напряжением:
Опорный конспект:
Потенциальность электростатического поля
Пусть точечный заряд $q$ перемещается по произвольной траектории в электростатическом поле из точки $1$ в точку $2$ под действием нескольких сил. Нас интересует сила $vec{F_{э}}$, действующая на заряд со стороны электростатического поля. При заданном перемещении заряда она совершает работу $A_{э}$.
Электростатическое поле обладает удивительным свойством. Оказывается, что эта работа не зависит от траектории, по которой перемещается заряд в электростатическом поле, а определяется только его начальным и конечным положениями (расположением точек $1$ и $2$). Это свойство называется потенциальностью (консервативностью). Следует понимать, что именно электростатическое поле является потенциальным, произвольное электрическое $-$ нет.
Потенциальная энергия точечного заряда
В связи с этим свойством для удобного расчета работы $A_{э}$ сил электростатического поля вводится понятие потенциальной энергии $textrm{П}$ точечного заряда в электростатическом поле.
Потенциальной энергией $textrm{П}$ точечного заряда $q$ в электростатическом поле называется скалярная (числовая) функция $textrm{П}=textrm{П}(x,y,z)$ координат пространства такая, что работа сил $A_{э}$ электростатического поля при перемещении этого заряда по произвольной траектории из точки $1$ в точку $2$ равна разности значений этой функции в этих точках:
$A_{э}=textrm{П}_1-textrm{П}_2{textrm{,}}$
где $textrm{П}_1=textrm{П}(x_1,y_1,z_1)$ $-$ потенциальная энергия в точке $1$, $textrm{П}_2=textrm{П}(x_2,y_2,z_2)$ $-$ потенциальная энергия в точке $2$.
Из определения видно, что потенциальная энергия $textrm{П}$ определяется с точностью до постоянной. Чтобы определить значение потенциальной энергии, требуется выбрать нуль потенциальной энергии (точку отсчета). Понятно, что физический смысл имеет лишь разность потенциальных энергий.
Потенциальная энергия $textrm{П}$ точечного заряда зависит как от электростатического поля, так и от величины самого заряда. Выходит, различные точечные заряды в одной и той же точке имеют разные потенциальные энергии, что не очень удобно. В связи с этим было введено понятие электрического потенциала $varphi$. Каким образом? Было установлено, что отношение $textrm{П}/q$ не зависит от величины $q$, следовательно, является характеристикой только электростатического поля. Ее и назвали электрическим потенциалом $varphi$:
$varphi=textrm{П}/q{textrm{.}}$
Электрический потенциал $varphi$ $-$ энергетическая характеристика электростатического поля. Также потенциал $varphi$ можно определить подобно тому, как была определена потенциальная энергия $textrm{П}$.
Потенциал электростатического поля
Потенциалом $varphi$ электростатического поля называется скалярная (числовая) функция $varphi=varphi(x,y,z)$ координат пространства такая, что работа сил $A_{э}$ электростатического поля при перемещении произвольного точечного заряда $q$ по произвольной траектории из точки $1$ в точку $2$ равна разности значений этой функции в этих точках, умноженной на $q$:
$A_{э}=q{cdot}(varphi_1-varphi_2){textrm{,}}$
где $varphi_1=varphi(x_1,y_1,z_1)$ $-$ потенциальная энергия в точке $1$, $varphi_2=varphi(x_2,y_2,z_2)$ $-$ потенциальная энергия в точке $2$.
Из определения видно, что потенциал $varphi$ электростатического поля определяется с точностью до постоянной. Чтобы определить значение потенциала, требуется выбрать нуль потенциальной энергии (точку отсчета). Понятно, что физический смысл имеет лишь разность потенциалов.
Выводы.
Работа $A_{э}$ сил электростатического поля по перемещению точечного заряда $q$ не зависит от траектории его движения, а определяется только начальным и конечным положениями заряда.
Для удобного расчета работы сил электростатического поля вводятся понятия потенциальной энергии $textrm{П}$ и потенциала $varphi$: $A_{э}=textrm{П}_1-textrm{П}_2=q{cdot}(varphi_1-varphi_2)$.
Потенциальная энергия $textrm{П}$ зависит как от заряда $q$, так и от электростатического поля. Потенциал электростатического поля $varphi$ зависит только от свойств самого поля.
Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.
Определение
Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.
Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако 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 перемещение носителей зарядов.
Рис. 1. Определение понятия «электрическое поле»
Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.
Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.
Характерные физические свойства:
- реагирует на присутствие заряженных частиц;
- взаимодействует с магнитными полями;
- является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
- поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.
Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.
Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.
Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.
Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.
Классификация
Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.
Однородное
электрическое поле
Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.
В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).
Рис. 2. Пример однородности
Неоднородное электрическое поле
Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.
Рис. 3. Электрический диполь 
Рис. 4. Вихревые поля
Характеристики
Основными характеристиками являются:
- потенциал;
- напряжённость;
- напряжение.
Потенциал
Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ=W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.
Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.
Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.
Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.
Напряжённость поля
Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.
Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.
Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.
Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости
Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.
Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.
Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов
Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.
Для общего случая распределения зарядов имеем:
Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:
- электростатического;
- дипольного;
- системы и одноимённых зарядов;
- однородного поля.
Рис. 7. Линии напряжённости различных полей
Напряжение
Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.
Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.
Методы обнаружения
Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.
Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.
Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.
Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.
Методы расчета электрического поля
Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:
- метод сеток или конечных разностей;
- метод эквивалентных зарядов;
- вариационные методы;
- расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.
Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.
Использование
Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.
На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.
Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.
К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.