Электрическое поле основные свойства и характеристики

Электрическое поле основные свойства и характеристики

Электрическим полем называют вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов. Поле неподвижных зарядов называется электростатическим.

Свойства электрического поля:

• порождается электрическим зарядом;

• обнаруживается по действию на заряд;

• действует на заряды с некоторой силой.

Точечный заряд – модель заряженного тела, размерами которого можно пренебречь в условиях

данной конкретной задачи ввиду малости размеров тела по сравнению с расстоянием от него до

точки определения поля.

Пробный заряд – точечный заряд, который вносится в данное электростатическое поле для измерения его характеристик. Этот заряд должен быть достаточно мал, чтобы своим воздействием не нарушить положение зарядов – источников измеряемого поля и тем

самым не изменить создаваемое ими поле.

Электрический диполь – система двух разноименных по знаку и одинаковых по величине точечных зарядов, находящихся на небольшом расстоянии один от другого. Вектор l, проведенный от отрицательного заряда к положительному, называется плечом диполя. Вектор

p = q*l называется электрическим моментом диполя.

Характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряженность (Е) – это векторная физическая величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда: Е = F/q; [E] = [ 1 Н/Кл ] = [1 В/м ]

Графически электрическое поле изображают с помощью силовых линий –это линии, касательные к которым в каждой точке пространства совпадают с направлением вектора напряженности.

Силовые линии электрического поля незамкнуты, они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных:

2. энергетическая характеристика – потенциал j — это скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда, необходимой для его перемещения из одной точки поля в другую, к величине этого заряда: j = DЕр/q. [j] = [1 Дж/Кл ] =[1 В ].

U = j1 — j2 — разность потенциалов (напряжение)

Физический смысл напряжения: U = j1 — j2 = А/q — — напряжение численно равно отношению работы по перемещению заряда из начальной точки поля в конечную к величине этого заряда.

U = 220 В в сети означает, что при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки поля в другую, поле совершает работу в 220 Дж.

3. Индукция электрического поля. Напряженность электрического поля является силовой характеристикой поля и определяется не только зарядами, создающими поле, но зависит и от свойств среды, в которой находятся эти заряды.

Часто бывает удобно исследовать электрическое поле, рассматривая только заряды и их расположение в пространстве, не принимая во внимание свойств окружающей среды. Для этой цели используется векторная величина, которая называется электрической индукцией или электрическим смещением. Вектор электрической индукции D в однородной изотропной среде связан с вектором напряженности Е соотношением

.

Единицей измерения индукции электрического поля служит 1 Кл/ м 2 . Направление вектора электрического смещения совпадает с вектором Е. Графическое изображение электрического поля можно построить с помощью линий электрической индукции по тем же правилам, что и для линий напряженности

Графическое изображение электрических полей.

Электрические поля можно изображать графически: при помощи силовых линий или эквипотенциальных поверхностей (которые взаимно перпендикулярны между собой в каждой точке поля.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называются линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.

Эквипотенциальные поверхности – это поверхности равного потенциала.

Закон взаимодействия неподвижных точечных электрических зарядов установлен в 1785 г. Ш. Кулоном с помощью крутильных весов, подобных тем, которые (см. § 22) использовались Г. Кавендишем для определения гравитационной постоянной (ранее этот закон был открыт Г. Кавендишем, однако его работа оставалась неизвестной более 100 лет). Точечным называется заряд, сосредоточенный на теле, линейные раз­меры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряжен­ных тел, с которыми он взаимодействует. Понятие точечного заряда, как и материаль­ной точки, является физической абстракцией.

Закон Кулона: сила взаимодействия F между двумя неподвижными точечными зарядами, находящимися в вакууме, пропорциональна зарядам Q1 и Q2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними:

где k коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц.

Сила F направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т. е. является центральной, и соответствует притяжению (F 0) в случае одноименных зарядов. Эта сила называется кулоновской силой. В векторной форме закон Кулона имеет вид

Читайте также:  Как нарисовать цветок обычный

(78.1)

В СИ коэффициент пропорциональности равен

Тогда закон Кулона запишется в окончательном виде:

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле (один из видов материи), обладающее запасом электрической энергии. Эта энергия проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы (рис. 1.3.а).

Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Поле, созданное двумя плоскими разноимённо заряженными параллельными пластинами (рис. 1.3.а), называется однородным. Графически такое поле изображается параллельными прямыми линиями с одинаковым расстоянием между линиями.

Рисунок 1.3. Простейшее электрическое поле: (а) однородное и (б) неоднородное электрическое поле

а) б)

1.4. Простейшее электрическое поле (а) двух разноимённых зарядов и (б) двух одноимённых зарядов

а) б)

Если по мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается, то это поленеоднородное (рис. 1.3.б).

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заряженных тел) между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания. Одноимённые заряды отталкиваются (рис. 1.4. б), разноимённые – притягиваются (рис. 1.4.а).

Параметры электрического поля:

1. Напряженность поля (Е) — характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический зарядq, принятый за единицу.

Поле с большой напряжённостью Е изображается силовыми линиями большой густоты, с малой напряжённостью – редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается (рис. 1.5). Только в однородном электрическом поле значение напряжённости одно и то же в любой его точке.

Рисунок 1.5. Схема действия электрического поля на внесённый в него электрический заряд q

Под напряжённостью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело, к заряду q этого тела. E=F/q

Напряжённость в однородном поле – это отношение электрического напряжения, действующего между двумя точками поля, к расстоянию между этими точками. Е=U/ℓ

2. Электрическое поле обладаетзапасом энергии, т.е. способностью совершать работу.

Сожмём пружину. Тем самым накопим запас энергии. Если затем освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело.

Точно так же энергия электрического тела реализуется, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определённую работу.

Электрический потенциал (φ) характеризует энергию, запасённую в каждой точке поля.

Рисунок 1.6. Разность потенциалов между точками А и Б электрического поля определяет работу, затраченную на перемещение заряда q между этими точками.

– расстояние между точками А и Б.

Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы заряда из этой точки за пределы поля (рис.1.6).

Для подъёма локомотива в точку Б (рис. 1.7) нужно затратить гораздо большую работу, чем для подъёма его в точку А.

За нулевой уровень (точку отсчёта высоты) обычно принимают уровень моря.

За нулевой потенциал в этом примере условно принят потенциал поверхности земли.

Рис. 1.7. Разность уровней в поле земного тяготения

3. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами.

На практике нас не интересуют абсолютные высоты Н1 и Н2 точек АиБнад уровнем моря, важнее знать разность уровней Нмежду этими точками, т.к. на подъём локомотива из точки А в точку Бнадо затратить работу, зависящую от величины Н.

Разность потенциалов φ1 иφ2 двух точек поля характеризует собой работуW, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда q из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом. Разность потенциалов φ1 иφ2 между двумя точками поля называется электрическим напряжением U.Единицы измерения:В —вольт, киловольт (тысячи вольт), милливольт (тысячная вольта), микровольт (миллионная вольта). U=W/q

Следовательно, напряжениеU, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасённую в этом поле энергию, которая может быть отдана путём перемещения между этими точками электрических зарядов.

Читайте также:  Как поменять молнию на куртке не распарывая

1. Что такое электрическое поле?

2. Что такое однородное поле?

3. Что такое неоднородное поле?

4. Как графически изображается электрическое однородное поле?

5. Как графически изображается электрическое неоднородное поле?

6. Что обозначают стрелки на силовых линиях поля?

7. Какие заряды притягиваются?

8. Какие заряды отталкиваются?

9. Дайте определение напряжённости электрического поля.

10. За нулевой потенциал условно принят …..

11. Дайте определение электрического потенциала.

12. Дайте определение электрического напряжения.

13. Назовите единицы измерения электрического напряжения.

14. Какое поле существует в пространстве вокруг заряженного тела?

15. В какую сторону принято направлять силовые линии электрических сил?

1.3. Электрический ток и его основные характеристики Электропроводность веществ

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.8.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Поэтому электрическим током I в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов) (рис. 1.8.б).

Рисунок 1.8. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:

а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов

Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Единица измерения силы тока — ампер A: это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

Постоянный ток – ток, не меняющий своё значение и направление с течением времени.

2. Переменный ток – ток, значение и (или) направление которого изменяется с течением времени. Получают от генераторов переменного тока и трансформаторов.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник, и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением R.Единицы измерения —Ом. Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.

Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться.

Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью G. Электропроводность– величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G=1/R (См).

Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества.

Все вещества в зависимости от электропроводимости условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.

· Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость);

· и электролиты (растворы кислот, щелочей и солей) – прохождение тока в них связано с движением электрически заряженных частей молекул – положительных и отрицательных ионов (ионная проводимость).

Полупроводники– имеют мало свободных электронов. В обычном состоянии плохо проводят ток. Но при определённых посторонних воздействиях электроны могут покидать атомы и становятся проводниками.

Диэлектрики(изоляторы) – не проводят электрический ток. В них электроны очень крепко связаны со своими атомами.

Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по их удельному электрическому сопротивлению ρ. За величину, характеризующую удельное сопротивление ρ,принимается сопротивление куба с ребром 1м. [Ом/м]

Для суждения об электропроводности материала пользуются понятием удельная электрическая проводимость σ. Удельная проводимость (σ) – проводимость куба с ребром 1 м. Измеряется вСм/м. (σ)=1/(ρ) (См/м)

Сопротивление прямолинейного проводника (шины, ленты) зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения. (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и её длины). R= ρ∙l/s(Ом); ρ [Ом∙м/мм 2 ]

Читайте также:  Размер евро кровати стандарт

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решётке металла увеличивается, отчего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебание атомов уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

Однако, у таких сплавов, как фехраль, нихром, константан, менганин и др. в определённом интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Эти сплавы применяют для изготовления резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость и. следовательно, он лучше проводит ток.

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется электрический ток?

3. Какие виды токов Вы знаете?

4. Дайте определение пульсирующего тока.

5. Какой ток называется импульсным?

6. Единицей электрического заряда принято считать …..

7. Удельная проводимость – это …..

8. Что такое сопротивление электрического тока?

9. Какие носители электричества создают в веществе, помещенном в электрическое поле, процесс движения?

10. Какой ток называется переменным?

11. Как условно делятся вещества в зависимости от электропроводности

12. Сопротивление куба с ребром 1м называется …..

13. Способность материала проводить электрический ток, называется …..

14. Как температура проводника влияет на его электропроводность?

15. Назовите единицы измерения электропроводности?

16. От чего зависит электропроводность вещества?

17. Дайте определение, что такое проводник.

18. Дайте определение, что такое диэлектрик.

19. Дайте определение, что такое полупроводник.

20. Дайте определение постоянного тока.

21. Назовите единицы измерения сопротивления.

22. Дайте определение удельной проводимости.

23. Дайте определение удельного сопротивления.

24. Назовите факторы, влияющие на сопротивление линейного проводника.

В данной статье вы узнаете что такое электрическое поле, определение, его типы и основные свойства.

Определение

Область вокруг электрического заряда, в которой действует напряжение или электрическая сила, называется электрическим полем или электростатическим полем. Если величина заряда велика, то это может создать огромное напряжение в области. Электрическое поле обозначается символом E. Единица СИ электрического поля — ньютон на кулон, что равно вольт на метр.

Электрическое поле представлено воображаемыми силовыми линиями. Для положительного заряда силовая линия выходит из заряда, а для отрицательного заряда силовая линия будет двигаться в направлении заряда. Электрическое поле для положительных и отрицательных зарядов показано ниже.

Рассмотрим единичный заряд Q, помещенный в вакуум. Если рядом с Q находится другой заряд q, то согласно закону Кулона на него накладывается сила. Заряд Q создает вокруг него электрическое поле, и когда рядом с ним помещается любой другой заряд, электрическое поле Q прикладывает к нему силу.

Электрическое поле, создаваемое зарядом Q в точке r, определяется как:

где Q — единица заряда,
r — расстояние между зарядами.

Заряд Q прикладывает силу к заряду q, выраженному:

Заряд q также прикладывает равную и противоположную силу к заряду Q.

Типы электрического поля

Электрическое поле в основном подразделяется на два типа. Это однородное электрическое поле и неоднородное электрическое поле.

Однородное электрическое поле

Когда электрическое поле является постоянным в каждой точке, то это поле называется однородным электрическим полем. Постоянное поле получается путем размещения двух проводников параллельно друг другу, и разность потенциалов между ними остается одинаковой в каждой точке.

Неоднородное электрическое поле

Непостоянное в каждой точке поле называется неоднородным электрическим полем. Неоднородное поле имеет разную величину и направления.

Свойства электрического поля

Ниже приведены свойства электрического поля.

  1. Полевые линии никогда не пересекаются друг с другом.
  2. Они перпендикулярны поверхностному заряду.
  3. Поле сильное, когда линии расположены близко друг к другу, и слабое, когда линии поля расходятся друг от друга.
  4. Количество силовых линий прямо пропорционально величине заряда.
  5. Линия электрического поля начинается с положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом.
  6. Если заряд одиночный, то они начинаются или заканчиваются на бесконечности.
  7. Кривые линий непрерывны в области без заряда.

Когда электрическое и магнитное поле объединяются, они образуют электромагнитное поле.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector