Что характерно для электростатического поля
Перейти к содержимому

Что характерно для электростатического поля

  • автор:

Что характерно для электростатического поля

6 .Работа сил электростатического поля.

Сила, действующая на точечный заряд, находящийся в поле другого неподвижного точечного заряда, является центральной. Из механики известно, что центральное поле сил потенциально. Убедимся в потенциальности сил электростатического поля (т. е. поля, создаваемого неподвижными зарядами) непосредственно. Вычислим работу, которая

совершается силами поля неподвижного точечного заряда q над перемещающимся точечным зарядом q ‘. Работа на элементарном пути d l равна (рис. 19)

(мы учли, что d l cos α = d r ). Отсюда работа на пути 1 – 2 равна

(9.1)

То есть, работа действительно не зависит от траектории заряда q ‘, а зависит лишь от начального и конечного положений этого заряда (от r 1 и r 2 ). Следовательно, силы, действующие на заряд q ‘ в поле неподвижного заряда q , потенциальны . Этот вывод распространяется на поле любой системы неподвижных зарядов. Сила f , действующая на точечный заряд q ‘, по принципу суперпозиции равна

где f i — – сила, обусловленная i-м зарядом системы источников поля. Работа равна сумме работ, совершаемых отдельными силами:

Каждое из слагаемых не зависит от пути. Следовательно, не зависит от пути и работа A .

Работа потенциальных сил на замкнутом пути равна нулю. Работа, совершаемая силами поля над зарядом q ‘ при обходе его по замкнутому контуру, может быть представлена как

,

где E l – проекция вектора E на направление элементарного перемещения d l (кружок у знака интеграла указывает на то, что интегрирование производится по замкнутому контуру). Так как q ’ – постоянная величина, приравняв интеграл нулю получим:

(9.2)

которое должно выполняться для любого замкнутого контура. Формула (9.2) справедлива только для электростатического поля. Поле движущихся зарядов (т. е. поле, изменяющееся со временем) не является потенциальным, так как за время движения заряда q ’ изменяется значение переменного поля E . Следовательно, условие (9.2) для него не выполняется.

Выражение вида называется циркуляцией вектора А по данному контуру. Таким образом, характерным для электростатического поля является то, что циркуляция вектора напряженности по любому замкнутому контуру равна нулю.

Тело, находящееся в потенциальном поле сил, обладает потенциальной энергией, за счет которой совершается работа силами поля.

Следовательно, работа (9.1) равна разности значений потенциальной энергии, которыми обладал заряд q ‘ в точках 1 и 2 поля заряда q:

Отсюда для потенциальной энергии заряда q ‘ в поле заряда q получаем

Значение const выбирается таким, чтобы при удалении заряда на бесконечность ( r = ∞ ) потенциальная энергия обращалась в нуль. При этом условии получается, что

()

Пусть заряд q ‘ – пробный заряд. Его потенциальная энергия зависит не только от величины q ‘, но и от величин q и r , определяющих поле.

Разные пробные заряды и т. д. будут обладать в одной и той же точке поля различной энергией и т. д. Однако, для данного источника поля q отношение будет для всех зарядов одинаковым. Величина

A0.2)

называется потенциалом поля в данной точке.

Таким образом, потенциал численно равен потенциальной энергии, которой обладает в данной точке поля единичный положительный заряд . Подставляя в A0.2) значение W p , получаем для потенциала поля точечного заряда:

Пусть поле создается системой точечных зарядов q 1 , q 2 . Расстояния от каждого из зарядов до данной точки поля r 1 , r 2 . Работа, совершаемая силами этого поля над зарядом q ’ будет равна сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов:

Но согласно (9.1) каждая из работ А i равна

А

где r i1 – расстояние от заряда q i до начального положения заряда q ‘, r i2 – расстояние от q i до конечного положения заряда q ‘. Следовательно,

Сопоставляя это выражение с соотношением

получаем .для потенциальной энергии заряда q ‘ в поле системы зарядов выражение

Потенциал поля, создаваемого системой зарядов, равен сумме потенциалов, создаваемых каждым из зарядов в отдельности .

Напряженности поля складываются при наложении полей векторно, потенциалы – алгебраически. Поэтому вычисление потенциалов обычно гораздо проще, чем вычисление напряженностей электрического поля.

Из A0.2) определяется потенциальная энергия заряда q , находящегося в точке поля с потенциалом φ

Работа сил поля над зарядом q может быть выражена через разность потенциалов:

A0.6)

Таким образом, работа, совершаемая над зарядом силами поля, равна произведению величины заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках .

Если заряд q из точки с потенциалом φ удаляется на бесконечность (где по условию потенциал равен нулю), работа сил поля будет равна

(Ю.7)

Отсюда: потенциал численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки на бесконечность. Такую же работу необходимо совершить против сил электрического поля, чтобы переместить единичный положительный заряд из бесконечности в данную точку поля.

За единицу потенциала называемую вольтом (сокращенное обозначение – B), принимается потенциал в такой точке поля, для перемещения в которую из бесконечности положительного заряда 1Кл необходимо совершить работу, равную 1 Дж:

1 дж = 1 к ⋅ 1 в, отсюда

A0.8)

В физике часто пользуются единицей работы и энергии, называемой электронвольтом (эв). Под электронвольтом подразумевается работа, совершаемая силами поля над зарядом, равным заряду электрона (т. е. над элементарным зарядом е) при прохождении им разности потенциалов в 1 в:

1 эв=1,6 10 -19 кл 1 в = 1,6 10 -19 дж.

Используются также кратные электронвольту единицы:

1 кэв (килоэлектронвольт) = 10 3 эв,

1 Мэв (мегаэлектронвольт) = 10 6 эв,

1 Гэв (гигаэлектронвольт) = 10 9 эв.

Отметим, что величина kT, характеризующая среднюю энергию теплового движения молекул, равна при комнатной температуре

Что характерно для электростатического поля?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

поделиться знаниями или
запомнить страничку

  • Все категории
  • экономические 43,679
  • гуманитарные 33,657
  • юридические 17,917
  • школьный раздел 612,609
  • разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

  • Обратная связь
  • Правила сайта

Что характерно для электростатического поля? 1) силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных
2) возникает вокруг неподвижных зарядов
3) обнаруживается по действию на неподвижные заряды

salimonovich03

1. Утвори пари: позначення значення величини. Qn Q Q+ Q QF k кількість тіл, що отримують енергію кількість теплоти кількість одержаної теплоти кількіс … ть тіл, що віддають енергію модуль кількості відданої теплоти -​

На поверхні озера поширюється хвиля, профіль якої зображено на рисунку. Чому дорівнюють довжина хвилі та період коливань, якщо хвиля поширюється зі шв … идкість 50 см/с?

чому знаючи тільки шлях не можна визначити кінцеве положення?

Найглибша впадина в океані 11 034 екскурсія по місту тривала 4 години 30 хвилин виразі цю глибину в одиницях CI виразі цей час в одиницях системи CI

какое количество теплоты нужно, чтоб нагреть алюминивый шарик массой 40 грамм от температуры 20°C ло температуры плавления и полностью расплавить?

что характерно для однородного электростатического поля? .

что характерно для однородного электростатического поля?
1.Потенциал во всех точках одинаков.
2.Напряженность во всех точках одинакова.
3.И потенциалю и напряженность во всех точках одинаковы.

Голосование за лучший ответ

Напряжённость одинакова: Е (1) = E(n) и потенциал.

Похожие вопросы

Ваш браузер устарел

Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.

Электромагнитное поле. ЭМВ. Скорость распространения ЭМВ

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

В системе отсчета, относительно которой заряд покоится, существует

Варианты ответов
  • только электрическое поле
  • только магнитное поле
  • постоянные и электрическое, и магнитное поля
  • переменное ЭМП
Вопрос 2

Вокруг постоянного магнита существует

Варианты ответов
  • только электрическое поле
  • только магнитное поле
  • постоянные и электрическое, и магнитное поля
  • переменное ЭМП
Вопрос 3

Равномерно движущийся протон создает вокруг себя

Варианты ответов
  • электрическое поле
  • магнитное поле
  • постоянные электрическое и магнитное поля
  • переменное ЭМП
Вопрос 4

Электрон пролетает через ускоряющую разность потенциалов, в результате чего приобретает некоторое постоянное ускорение. Вокруг этого электрона возникает

Варианты ответов
  • электрическое поле
  • магнитное поле
  • постоянные электрическое и магнитное поля
  • переменное ЭМП

Что такое электрическое поле, его классификация и характеристики

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.

Определение понятия

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).

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.

Электрический диполь 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.

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.

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:

Линии напряжённости различных полей

  • электростатического;
  • дипольного;
  • системы и одноимённых зарядов;
  • однородного поля.

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.

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Электрическое поле – это векторное поле, действующее вокруг частиц обладающих электрическим зарядом. Оно входит в состав электромагнитного поля. Для него характерно отсутствие реальной визуализации. Оно невидимо, и может быть замечено только в результате силового воздействия, на которое реагируют другие заряженные тела с противоположными полюсами.

Elektricheskoe pole 1

Как устроено и действует электрическое поле

По сути, поле является особым состоянием материи. Его действие проявляется в ускорении тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. К его характеризующим особенностям, можно отнести:

  • Действие только при наличии электрического заряда.
  • Отсутствие границ.
  • Наличие определенной величины воздействия.
  • Возможность определения только по результату действия.

Поле неразрывно связано с зарядами, которые находятся в определенной частице или теле. Оно может образовываться в двух случаях. Первый предусматривает его появление вокруг электрических зарядов, а второй при перемещении электромагнитных волн, когда меняется электромагнитное поле.

Электрические поля воздействуют на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные частицы. В результате они получают силовое влияние. Пример воздействия поля можно наблюдать и в быту. Для этого достаточно создать электрический заряд. Учебники физики предлагают для этого простейший пример, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить поле вполне возможно, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы. На ее поверхности образуется заряд, что приводит к появлению электрического поля. Как следствие ручка притягивает мелкие частицы. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластиковой расчески.

Elektricheskoe pole 2

Бытовым примером проявления электрического поля является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя заряды. При снятии такого предмета одежды электрическое поле подвергается различным силам воздействия, что и приводит к образованию световых вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов.

Свойства поля
Для характеристики электрического поля применяется 3 показателя:
  • Потенциал.
  • Напряженность.
  • Напряжение.
Потенциал

Данное свойство является одним из главных. Потенциал указывает на количество накопленной энергии применяемой для перемещения зарядов. По мере их сдвига энергия расточается, постепенно приближаясь к нулю. Наглядной аналогией данного принципа может выступить обыкновенная стальная пружина. В спокойном положении она не обладает никаким потенциалом, но только до того момента, пока не будет сжата. От такого воздействия она получает энергию противодействия, поэтому после прекращения влияния обязательно разогнется. Когда пружина отпускается, то моментально распрямляется. Если на ее пути окажутся предметы, она начнет их двигать. Возвращаясь непосредственно к электрическому полю потенциал можно сравнить с приложенными усилиями на выпрямление назад.

Электрическое поле обладает потенциальной энергией, что и делает его способным выполнять определенное воздействие. Но перемещая заряд в пространстве, оно истощает свой ресурс. В том же случае если передвижение заряда внутри поля осуществляется под воздействием сторонней силы, то поле не только не теряет свой потенциал, но и пополняет его.

Также для большего понимания данной величины можно привести еще один пример. Предположим, что незначительный положительно заряженный заряд располагается далеко за пределами действия эл.поля. Это делает его совершенно нейтральным и исключает взаимный контакт. Если же в результате воздействия любой сторонней силы заряд будет двигаться по направлению к электрическому полю, то достигнув его границы, будет втянут в новую траекторию. Энергия поля, затраченная на влияние относительно заряда в определенной точке воздействия, и будет называться потенциалом на этой точке.

Выражение электрического потенциала осуществляется через единицу измерения Вольт.

Напряженность

Этот показатель применяется для количественного выражения поля. Данная величина рассчитывается как отношение положительного заряда воздействующего на силу действия. Простым языком напряженность выражает силу эл.поля в определенном месте и времени. Чем выше напряженность, тем более выраженным будет влияние поля на окружающие предметы или живые существа.

Напряжение

Этот параметр образуется от потенциала. Он применяется для демонстрации количественного соотношения действия, которое производит поле. То есть, сам потенциал показывает объем накопленной энергии, а напряжение демонстрирует потери на обеспечение движения зарядов.

В электрическом поле положительные заряды перемещаются от точек с высоким потенциалом в места, где он ниже. Что касается отрицательных зарядов, то они движутся противоположно. Как следствие осуществляется работа с использованием потенциальной энергии поля. Фактически напряжение между точками качественно выражает работу, совершенную полем для переноса единицы противоположно заряженных зарядов. Таким образом, термины напряжение и разность потенциалов это одно и то же.

Наглядное проявление поля

Электрическое поле имеет условное визуальное выражение. Для этого применяются графические линии. Они совпадают с линиями воздействия силы, которые излучают заряды вокруг себя. Помимо линии действия сил, также важно их направление. Для классификации линий за основу определения направлений принято использовать положительный заряд. Таким образом, стрелка движения поля идет от положительных частиц к отрицательным.

Чертежи, изображающие эл.поля, на линиях имеют направление в виде стрелки. Схематически в них всегда есть условное начало и конец. Таким образом, они не замыкаются сами на себе. Силовые линии берут свое начало на точке нахождения положительного заряда и заканчиваются на месте отрицательных частиц.

Elektricheskoe pole 3

Электрическое поле может иметь различные типы линий в зависимости не только от полярности заряда, который способствует их образованию, но и наличию сторонних факторов. Так, при встрече противоположных полей они начинают действовать друг на друга притягательно. Искаженные линий приобретают очертания гнутых дуг. В том же случае, когда встречаются 2 одинаковых поля, то они отталкиваются в противоположные стороны.

Сфера применения

Электрическое поле обладает рядом свойств, которые нашли полезное применение. Данное явление используется при создании различного оборудования для работы в нескольких весьма важных сферах.

Использование в медицине

Воздействия электрического поля на определенные участки тела человека позволяет повышать его фактическую температуру. Это свойство нашло свое применение в медицине. Специализированные аппараты обеспечивают воздействия на необходимые участки поврежденных или больных тканей. В результате чего улучшается их кровообращение и возникает заживляющий эффект. Поле воздействует с высокой частотой, поэтому точечное влияние на температуру дает свои результаты и вполне ощутимо для больного.

Применение в химии

Данная сфера науки предусматривает использования различных чистых или смешанных материалов. В связи с этим работа с эл.полями не могла обойти эту отрасль. Компоненты смесей взаимодействуют с электрическим полем по-разному. В химии это свойство применяется для разделения жидкостей. Данный метод нашел лабораторное применение, но встречается и в промышленности, хотя и реже. К примеру, при воздействии полем осуществляется отделения в нефти загрязняющих компонентов.

Электрическое поле применяется для обработки при фильтрации воды. Оно способно отделить отдельные группы загрязняющих веществ. Такой способ обработки намного дешевле, чем использование сменных картриджей.

Электротехника

Использование электрического поля имеет весьма интересное применение в электротехнике. Так, был разработан способ беспроводной передачи электричества от источника до потребителя. До недавнего времени все разработки имели теоретический и экспериментальный характер. Уже имеется эффективная реализация технологии зарядки телефона без применения непосредственного гибкого кабеля вставляемого в USB разъем смартфона. Данный способ пока не позволяет передавать энергию на продолжительное расстояние, но он совершенствуется. Вполне возможно, что в ближайшем будущем надобность в зарядных кабелях с блоками питания отпадет полностью.

Zariadnoe ustroistvo

При выполнении электромонтажных и ремонтных работ применяется светодиодная индикаторная отвертка, действующая на основе схемы полевого транзистора. Помимо ряда функций, она может реагировать на электрическое поле. Благодаря этому при приближении пробника к фазному проводу индикатор начинает светиться без фактического касания к токопроводящей жиле. Он реагирует на поле исходящие от проводника даже сквозь изоляцию. Наличие электрического поля позволяет находить токопроводящие провода в стене, а также определять точки их разрыва.

Ukazatel napriazheniia

Защититься от воздействия эл.поля можно при помощи металлического экрана, внутри которого его не будет. Это свойство широко применяется в электронике, чтобы исключить взаимное влияние электрических схем, которые расположены довольно близко друг к другу.

Возможности применения в будущем

Имеются и более экзотические возможности для электрического поля, которыми на сегодняшний день еще не обладает наука. Это коммуникации быстрее скорости света, телепортация физических объектов, перемещение за один миг между разомкнутыми местоположениями (червоточины). Однако для осуществления подобных планов будут нужны куда более сложные исследования и эксперименты, чем проведение экспериментов с двумя возможными исходами.

Однако наука все время развивается, открывая все новые возможности применения электр.поля. В будущем его сфера использования может значительно расшириться. Возможно, что оно найдет применение во всех значимых областях нашей жизни.

Похожие темы:
  • Магнитное поле. Источники и свойства. Правила
  • Наведенное напряжение. Причины возникновения и опасность
  • Ток и напряжение. Виды и правила. Работа и характеристики
  • Виды статического электричества. Возникновение и удаление статики
  • Электромагнитное излучение. Виды и применение. Влияние
  • Атмосферное электричество. Что это. Виды и особенности
  • Электромагнитные волны. Опыты Герца. Излучения
  • Эффект Холла. Что это и как работает, виды, применения
  • Электричество. Электрический ток
  • Правило буравчика. Применение и особенности. Отличия
  • Электрический ток в газах. Виды и свойства газов. Применение
  • Электродвижущая сила (ЭДС). Виды и применение. Особенности
  • Электрическая мощность. Расчет и измерение. Особенности
  • Самоиндукция. Проявления и работа. Применения и особенности

Вихревое электрическое поле

Электрическое поле, образовавшееся при трансформации магнитного поля, значительно отличается от структуры электростатического. Оно характеризуется отсутствием связи с электрическими зарядами и спецификой силовых линий (которые обозначаются замкнутыми линиями, не имеющими начала и конца) и носит название вихревого электрического поля. Его источник – переменное магнитное поле.

Вихревые токи были обнаружены в XIX веке ученым Араго, но подробнее их исследовал спустя несколько лет физик Фуко, благодаря которому они и получили свое название. Вихревые токи образуются под воздействием переменного магнитного поля. Отмечено, что по физической сущности они не имеют отличий в сравнении с индукционными токами, которые образуются в обмотках трансформаторов (преимущественно, вторичных). С учетом того, что сопротивление крупного проводника мало, сила индукционного тока способна достигать особо больших значений. Зачастую хорошие проводники подвергаются торможению, которое связно с взаимодействием токов Фуко с внешним полем. Такой эффект применяют для амортизации подвижных составляющих гальванометров и аналогичных приборов.

Токи Фуко

Закон электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция представляет собой явление зарождения тока внутри замкнутого проводника, когда через него проходит магнитный поток. С помощью этого явления предоставляется возможность трансформировать механическую энергию в кинетическую энергию. До открытия электромагнитной индукции человечество не знало о способах получения тока (за исключением гальваники). Внутри проводника всегда образуется электродвижущая сила, когда он находится под воздействием электромагнитного. Выразить ЭДС количественно можно через закон электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции стало известно еще в начале XIX века благодаря английскому физику-экспериментатору Майклу Фарадею. С помощью экспериментов он доказал, что в период трансформации магнитного поля и внутри замкнутого проводящего контура зарождается ток, который носит название индукционного.

Закон Фарадея – основной закон электродинамики, напрямую связанный с принципами работы генераторов, трансформаторов и другого оборудования. Майкл Фарадей определил, что электродвижущая сила индукции внутри замкнутого контура равна по модулю скорости трансформации магнитного потока, который проходит через контур.

Физик Ленц установил тесную связь направленности индукционного тока и характера трансформации магнитного поля. Он должен быть направлен так, чтобы поле могло компенсировать видоизменение внешнего потока через контур. Это означает, что закон Фарадея должен преобразоваться, быть со знаком «минус»:

Закон Фарадея

Важные характеристики и свойства

Рассмотрим специфику вихревого поля на примере простого опыта. Берется катушка, обмотанная медной проволокой. Внутрь нее воткнут сердечник на основе распыленного железа, с помощью которого значительно усиливается магнитное поле. Через специальные проводники катушка подсоединена к источнику тока. При этом есть еще проволочный виток, который окутывает основу из дерева. К нему подсоединена лампа накаливания. На сырье, из которого изготовлена проволока, предварительно был нанесен слой изоляционного покрытия. Каркас для намотки провода – деревянный. Дерево это тот материал, который не способен проводить ток. На основании этого любая вероятность контакта лампочки с цепью, которая подсоединена к источнику тока, исключается. В момент замыкания источника, происходит загорание лампочки, что означает наличие электрического тока в витке. Остается вопрос: откуда возникают силы, совершающие внутри витка работу?

Магнитное поле имеет воздействие исключительно на движущиеся заряды, поэтому не в состоянии повлиять на возникновение электрического. Внутри металлов есть электроны, способные передвигаться внутри кристаллической решетки (на основании электронной теории). Но при отсутствии внешнего поля они начинают перемещаться в хаотичном порядке. Исходя из этого действие поля на проводник с током суммарно равно 0. Электрическое поле имеет одинаковое влияние, как на движущиеся, так и на статичные заряды.

Представим, что электроны, расположенные в проводнике, начинают двигаться хаотично под влиянием особой разновидности поля. При этом такое поле образуется не от электрических зарядов, а под влиянием магнитного переменного. Основная мысль этой концепции заключается в том, что электромагнитное поле является причиной возникновения электрического. Оно обнаруживается благодаря проводнику, который имеет электроны. Электроны при этом начинают двигаться в результате воздействия электрического поля. Явление электромагнитной индукции заключается в происхождении нового вида поля, способного вызывать движение электрических импульсов.

Закон электромагнитной индукции

Разница между вихревым и электростатическим полем

Переменное магнитное электрическое поле порождает индуцированное электрическое. Оно может локализироваться в любом месте, где имеется переменное магнитное поле (даже при отсутствии проводящего контура). Этим обусловлен физический смысл явления индукции. Индуцированное поле имеет отличительные особенности по сравнению с электростатическим:

  • его формирует переменное магнитное поле (распределение статичных зарядов не играет никакой роли);
  • линии напряженности (силовые линии) вихревого электрического поля – исключительно замкнутые, исходя из чего, его считают вихревым. Наряду с этим силовые линии электростатического поля берут свое начало с положительных зарядов, а заканчиваются на отрицательных;
  • вихревое поле не является потенциальным. Действие сил по передвижению зарядов по замкнутой траектории в электростатическом поле равно 0, а в вихревом – не равно 0. Электродвижущая сила индукции – энергетический параметр индуцированного поля.

Больше о явлении вихревого электрического поля: видео

Читайте также:

  • Какое естественное и искусственное освещение отвечает гигиеническим требованиям
  • Что такое фаза и ноль в электричестве
  • Откуда берется электричество: как появилось

Инфофиз

Вихревое электрическое поле

Переменное магнитное поле порождает инду­цированное электрическое поле. Если магнитное поле постоянно, то индуциро­ванного электрического поля не возникнет. Следовательно, индуцированное электрическое поле не связано с зарядами, как это имеет место в случае элект­ростатического поля; его силовые линии не начинаются и не заканчиваются на зарядах, а замкнуты сами на себя, подобно силовым линиям магнитного поля. Это означает, что индуцированное электрическое поле, подобно магнитному, является вихревым.

Если неподвижный проводник поместить в переменное магнитное поле, то в нем индуцируется э. д. с. Электроны приводятся в направленное движение электрическим полем, индуцированным переменным магнитном полем; возни­кает индуцированный электрический ток. В этом случае проводник является лишь индикатором индуцированного электрического поля. Поле приводит в движение свободные электроны в проводнике и тем самым обнаруживает себя. Теперь можно утверждать, что и без проводника это поле существует, обладая запасом энергии.

Сущность явления электромагнитной индукции заключается не столько в появлении индуцированного тока, сколько в возникновении вихревого электрического поля.

Это фундаментальное положение электродинамики установлено Максвел­лом как обобщение закона электромагнитной индукции Фарадея.

В отличие от электростатического поля индуцированное электрическое поле является непотенциальным, так как работа, совершаемая в индуцированном электрическом поле, при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна э. д. с. индукции, а не нулю.

Направление вектора напряженности вихревого электрического поля уста­навливается в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея и правилом Ленца. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока.

Так как вихревое электрическое поле существует и в отсутствие проводника, то его можно применять для ускорения заряженных частиц до скоростей, со­измеримых со скоростью света. Именно на использовании этого принципа основано действие ускорителей электронов — бетатронов.

Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличии от электростатического поля.

Отличие вихревого электрического поля от электростатического

1) Оно не связано с электрическими зарядами;
2) Силовые линии этого поля всегда замкнуты;
3) Работа сил вихревого поля по перемещению зарядов на замкнутой траектории не равна нулю.

1.3. Электрическое поле. Напряженность и потенциал поля

Скачать Содержание

Вокруг всякого электрического заряда всегда существует электрическое поле.

Электрическое поле, созданное неподвижным зарядом (или системой неподвижных зарядов), называется электростатическим.

Посредством электростатического поля осуществляется взаимодействие между зарядами. Само понятие поля оказалось весьма плодотворным и широко используется в современной физике. Появление поля означает, что что-то изменилось в окружающем нас пространстве. Математически поле описывается величиной, меняющейся от точки к точке. Например, можно рассмотреть поле скоростей в текущей жидкости. В каждой точке объема жидкости задан вектор скорости, который может меняться со временем (нестационарное течение), а может и быть постоянным (стационарное течение). Это пример векторного поля. К этому же типу полей относится и поле неподвижных электрических зарядов.

Напишем выражение для силы, действующей на точечный заряд в результате его взаимодействия с системой точечных зарядов (соотношение Дополнения 1)

Здесь — радиус-вектор точки, в которой находится заряд . Заряд , на который, действует сила, в подобных ситуациях иногда называют «пробным» зарядом, выписан отдельным множителем. Выражение, стоящее в круглых скобках, определяется исключительно свойствами той системы зарядов, которая воздействует на заряд . Естественно, что это воздействие (сила) зависит от того, где он находится, соответственно, выражение в круглых скобках зависит от радиус-вектора , определяющего местоположение заряда . Следуя изложенной выше идее об электростатическом поле существующем вокруг каждого заряда и, разумеется, системы зарядов, введем силовую характеристику этого поля, называемую напряженностью электрического поля.

Напряженностью электрического поля называется вектор , равный отношению силы, действующей на точечный заряд к алгебраической величине этого заряда (рис. 1.12)

Рис. 1.12. Вектор напряженности электрического поля отрицательного и положительного точечного заряда

Из и определения напряженности вытекает, что напряженность поля произвольной системы покоящихся зарядов можно записать в виде

Действительно, сила, с которой данная система зарядов действует на точечный заряд, равна векторной сумме сил, с которыми действует на него каждый из зарядов системы. Отсюда следует, что напряженность электрического поля системы зарядов определяется векторной суммой напряженностей полей, создаваемых отдельными зарядами системы. Имеет место так называемый принцип суперпозиции (независимого наложения) электрических полей

Напряженность поля, созданного системой неподвижных заряженных тел, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым телом в отдельности:

Принцип суперпозиции является одним из наиболее общих принципов современной физики. Подчеркнем, что напряженности поля складываются векторно.

На рис. 1.13 иллюстрируется принцип суперпозиции полей на примере поля, создаваемого двумя точечными зарядами.

Рис. 1.13. Принцип суперпозиции электрических полей

Для одного заряда , находящегося в начале координат , для напряженности создаваемого им поля в точке с радиус-вектором получаем (индекс 1 опущен):

Напряженность поля точечного заряда в различных точках пространства, в общем случае различна и по величине и по направлению (рис. 1.14). Поле точечного заряда — центральное поле, центр симметрии поля совпадает с точкой, в которой находится заряд.

Рис. 1.14. Векторы напряженности электрического поля заряда q в разных точках пространства

В СИ единицей измерения напряженности электрического поля является ньютон на кулон (Н/Кл), — то есть за единицу напряженности поля принята напряженность такого поля, в котором на заряд равный 1 Кл действует сила, равная 1 Н:

На практике чаще употребляют другое название этой единицы — «вольт на метр» (В/м) (про единицу «вольт» речь пойдет несколько позже).

Характерные значения напряженностей электрических полей, встречающихся в нашем мире, приведены на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Характерные значения напряженностей электрических полей, встречающихся в природе

Обратим внимание на сходство закона Кулона с законом всемирного тяготения

Роль зарядов играют массы, а гравитационная постоянная G аналогична коэффициенту Знак минус соответствует тому, что гравитационное взаимодействие всегда является притяжением. Можно ввести и вектор напряженности гравитационного поля как отношение силы , например, к пробной массе :

Если при этом — масса Земли, а её радиус, то есть ни что иное, как хорошо знакомое ускорение свободного падения м/с 2 (с точностью до весьма малой центробежной силы инерции, входящей в силу тяжести )

Пример 4. Среднее расстояние между электроном и протоном в атоме водорода равно r = 5,3·10 –11 м (рис. 1.16). Найти силы электростатического и гравитационного притяжения между ними и определить отношение этих сил.

Рис. 1.16. Электрон и протон в атоме водорода

Решение. Из закона Кулона имеем

В свою очередь из закона всемирного тяготения следует

Отношение сил не зависит от расстояния между электроном и протоном и равно

Этот расчет показывает, что в масштабах атомов и молекул силы гравитации столь меньше электростатических, что их можно не принимать во внимание.

Почему же в макромире, где мы обитаем, с законом гравитации мы знакомимся после первой же шишки на первых же шагах в детстве, а закон Кулона остается неизвестным многим из наших сограждан даже после окончания средней школы? Дело в том, что в макромире, как мы видели, положительные и отрицательные электрические заряды в телах скомпенсированы, так что в обычной жизни мы имеем дело с относительно небольшими избыточными зарядами. В то же время все тяготеющие массы имеют один и тот же знак, так что никакой компенсации масс не происходит, и силы гравитации проявляют себя в масштабах макромира в большей степени.

Электрическое поле можно задать, указав для каждой точки величину и направление вектора напряженности электрического поля . Для наглядного изображения электрического поля используют силовые линии (или линии векторного поля ).

Линией напряженности электрического поля (силовой линией) называется такая линия, касательная к которой в каждой её точке совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля.

На рис. 1.17 показана силовая линия электрического поля. Векторы напряженности электрического поля направлены по касательной к силовой линии.

Рис. 1.17. Векторы напряженности электрического поля направлены по касательной к силовым линиям

Число линий, пронизывающих перпендикулярную к ним площадку единичной площади, пропорционально величине (модулю) напряженности электрического поля в данном месте. Другими словами силовые линии проводятся гуще там, где модуль напряженности поля больше. Таким образом, конфигурация силовых линий позволяет судить об изменении направления и величины вектора в пространстве. Картина линий векторного поля (не обязательно электрического или магнитного) весьма наглядный графический способ отображения его основных свойств.

Отметим некоторые важные свойства силовых линий электростатического поля:

силовые линии начинаются на положительных зарядах (или на бесконечности) и заканчиваются на отрицательных зарядах (или на бесконечности);

силовые линии нигде не пересекаются (в противном случае, напряжённость поля была бы неоднозначной функцией координат точки);
На рис. 1.18 приведена картина силовых линий поля уединенного точечного заряда.

Рис. 1.18. Силовые линии точечного заряда: 1 — q > 0; 2 — q < 0

В первом случае силовые линии начинаются на положительном точечном заряде и уходят в бесконечность, во втором случае силовые линии приходят из бесконечности и заканчиваются на отрицательном точечном заряде.

Силовые линии электрического поля, созданного двумя равными по модулю точечными одноименными зарядами, представлены на рис. 1.19.

Рис. 1.19. Силовые линии электрического поля, образованного двумя равными положительными точечными зарядами

Картина силовых линий электрического поля, созданного двумя равными по модулю точечными разноименными зарядами, приведена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Силовые линии электрического поля, образованного двумя разноименными равными по модулю точечными зарядами

Отметим, что, показанная (вместе со своим полем) на рис. 1.20 система двух равных по величине и противоположных по знаку зарядов, называется электрическим диполем.

Электрическое поле, напряженность которого одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства, называется однородным электрическим полем.

Густота и направление силовых линий по всему объему однородного электрического поля сохраняются неизменными. Такое поле графически изображается равноотстоящими друг от друга параллельными прямыми линиями.

В дальнейшем будет показано, что бесконечная равномерно заряженная плоскость создает вокруг себя однородное электрическое поле. Линии напряженности поля направлены перпендикулярно заряженной плоскости и направлены от нее, если плоскость заряжена положительно, и к ней, если плоскость заряжена отрицательно (см. рис. 1.21).

Рис. 1.21. Электрическое поле равномерно положительно заряженной плоскости

Силовые линии электрического поля можно исследовать экспериментально с помощью установки, изображенной на рис. 1.22. Электроды, присоединенные к источнику высокого напряжения, погружены в касторовое масло со взвесью мелких диэлектрических частиц. При подаче напряжения на электроды частицы выстраиваются цепочками вдоль силовых линий и показывают распределение поля в пространстве между электродами. Используя электроды различной формы, можно исследовать поле точечных зарядов одного и разных знаков, поле плоского и цилиндрического конденсаторов и др.

Рис. 1.22. Экспериментальное исследование силовых линий электростатического поля

Поведение заряда в заданном электрическом поле описывается вторым законом Ньютона

(Здесь имеется в виду, что никакие другие силы на заряд не действуют; в противном случае в правую часть следовало бы добавить соответствующие слагаемые).

Один из методов определения заряда электрона (метод Милликена) основан на наблюдении движения капелек масла в вертикальном электростатическом поле плоского конденсатора (рис. 1.23). В пространстве между двумя пластинами конденсатора создавалось электрическое поле. Сюда впрыскивались капельки масла. Под действием света воздух между пластинами ионизировался, образующиеся при этом свободные электроны попадали в капельки и капельки заряжались.

Рис. 1.23. Схема опыта Милликена

Наблюдалось движение капельки радиусом 1,64 мкм и плотностью 0,851 г/см 3 . Было замечено, что капелька переставала падать при электрическом поле напряженностью 1,95·10 5 В/м. Это означало, что электростатическая сила qE компенсировала силу тяжести mg.

Масса капельки равна

Отсюда находим заряд капельки

то есть капелька несла пять электронных зарядов. Именно в таких экспериментах было обнаружено квантование электрического заряда и определена его минимальная величина e.

Движением заряженных частиц можно управлять, с помощью электрического поля нужной величины и направления. Так происходит, например, в электроннолучевой трубке осциллографа.

На рис. 1.24 показывается движение электронного луча, рисующего на экране электроннолучевой трубки с электрическим отклонением синусоиду. В осциллографе на вертикальные отклоняющие пластины подан усиленный исследуемый сигнал, а на горизонтальные — пилообразное напряжение развёртки. В результате электронный луч «рисует» зависимость исследуемого сигнала от времени на экране осциллографа.

Рис. 1.24. Принцип действия электроннолучевой трубки

Определение напряженности поля очень часто используется в виде

В силу определения (или, очевидным образом, это одно и то же) напряженность электрического поля называют его силовой характеристикой — оно определяет силу, действующую на заряд, помещенный в поле.

Пример 5. В пространство между пластинами плоского конденсатора влетает частица, движущаяся параллельно пластинам вдоль оси конденсатора (рис. 1.25). Начальную кинетическую энергию частица по­лучила, пройдя ускоряющую разность потенциалов Под действием поля конденсатора частица отклоняется к одной из пластин (в зависимости от знака заряда) и в конечном итоге попадает на нее. Это расстояние можно измерить. Известно также расстояние между пластинами и напряжение на конденсаторе. Можно ли по этим данным установить тип частицы (найдя ее удельный заряд, т. е. отношение заряда к массе )?

Решение. Решим задачу сначала методом размерностей. Пройденное расстояние должно быть функцией параметров задачи:

Вспоминая, что произведение потенциала на заряд дает энергию, размерность которой получаем

Рис. 1.25. движение заряженной частицы между пластинами плоского конденсатора

Подставляя эту размерность, получаем уравнение:

Сравнивая размерности в обеих частях равенства, приходим к уравнениям:

Последнее уравнение, следующее из отсутствия в левой части величины размерности времени, сразу дает нам или После этого немедленно находим: Подставляя найденные значения, получаем:

Произвольная степень (показатель степени b определить не удалось) означает, что результат зависит от произвольной функции безразмерного отношения

Вид этой функции мы пока не знаем: если в задачу входят величины одинаковой размерности, то функцию их отношения с помощью анализа размерности найти, естественно, не удастся. Но мы уже можем ответить на вопрос задачи: в ответ не вошли параметры, характеризующие частицу — ни ее масса, ни ее заряд. Все частицы при заданных усло­виях будут отклоняться одинаково, и использовать такой прибор для их идентификации нельзя.

Приведем теперь точное решение задачи. Начальную скорость частицы находим из соотношения

В конденсаторе частица находится под действием электрического поля и приобретает поперечное ускорение Расстояние до попадания на пластину она пройдет за время t:

откуда находим время полета:

В продольном же направлении за это время частица пролетит расстояние

Мы приходим к тому же выводу о независимости от характеристик частицы. К тому же, теперь найдена функция оставшаяся не опреде­ленной в нашем предварительном результате.

В Главе 4 раздела «Механика» было показано, что консервативная сила связана с потенциальной энергией соотношением

Здесь знак — общепринятое обозначение векторного оператора «набла», результат действия которого на скалярную функцию координат есть градиент этой функции. Явный вид оператора набла в декартовых координатах следующий:

Подставив в и разделив на , получаем

Скалярная функция называется потенциалом электрического поля.

Функция , связанная с напряженностью электростати­чес­кого поля соотношением

,

называется потенциалом электростатического поля.

Как видно из (1.13), потенциальная энергия точечного заряда в поле с потенциалом равна

а действующая на него сила

В Дополнении 3 разобран пример использования этих соотношений.

В СИ единицей измерения потенциала электрического поля является вольт (В):

Напряженность поля определяет силу, действующую в поле на точечный заряд, а потенциал — его потенциальную энергию в этом поле. Поэтому, следуя смыслу соотношений и, напряженность электрического поля называют силовой характеристикой поля, а потенциал — его энергетической характеристикой.

Как и потенциальная энергия, потенциал поля всегда определен с точностью до аддитивной постоянной. Это видно из : поскольку набла есть дифференциальный оператор, потенциалы и физически тождественны, так как им соответствует поле одной и той же напряженности

Это позволяет нормировать потенциал, произвольно выбирая некоторую точку и полагая потенциал в этой точке равным нулю

Учитывая, что и напряженность поля, и потенциал поля убывают с ростом расстояния до системы зарядов, создающей поле, во всех тех случаях, когда конечный заряд распределен по конечной области пространства, нормировать потенциал естественно и удобно на «нуль на бесконечности», то есть полагать его равным нулю на бесконечном удалении от системы зарядов

О тех идеализированных случаях, когда нормировка на нуль на бесконечности, именно в силу идеализированности задачи, лишена смысла, будет сказано далее.

Соотношение (1.13) позволяет вычислить напряженность поля по известному потенциалу;

Получим «обратную» связь: выразим потенциал поля через его напряженность. Для этого сравним три выражения: выражение для из (1.18), выражение для вектора бесконечно малого перемещения и выражение для полного дифференциала функции :

Нетрудно видеть, что скалярное произведение двух первых векторов равно полному дифференциалу потенциала

На самом деле это соотношение не новое. Если умножить (1.20) на заряд и учесть связи (1.14) и (1.15), мы получим знакомое по главе 4 раздела «Механика» соотношение, связывающее работу консервативной силы и убыль потенциальной энергии

Там же, в разделе «Механика» было показано, что стационарное потенциальное поле консервативно. Из соотношения (1.18) вытекает, что электростатическое поле консервативно во всех тех случаях, когда потенциал поля не зависит от времени.

Интегрируя соотношение (1.20) от точки , потенциал в которой принят равным нулю, до некоторой точки , потенциал в которой нас интересует, вдоль произвольной, удобной для вычислений кривой (поле консервативно и от формы кривой результат не зависти), получаем

Вычислим с помощью (1.21) потенциал поля точечного заряда , находящегося в начале координат, нормировав его на нуль на бесконечном удалении от этого заряда. Воспользуемся для этого законом Кулона в форме (1.9):

При вычислении использовано тождество , справедливое для любого вектора : и являющееся результатом простого дифференцирования определения модуля любого вектора: .

Таким образом, потенциал поля точечного заряда находящегося в начале координат имеет вид

и поле это, как уже отмечалось ранее, центральное: фактически потенциал поля зависит только от .

Учитывая, что стоящей в знаменателе модуль радиус-вектора есть ни что иное как расстояние от заряда, создающего поле до точки наблюдения поля, формулу легко обобщить на случай, когда заряд находится не в начале координат, а в точке с радиус-вектором . В этом случае расстояние от заряда до точки наблюдения поля равно и потенциал поля в точке (при прежней нормировке на нуль на бесконечности) равен

Связь между напряженностью поля и его потенциалом линейная, поэтому принцип суперпозиции для напряженности поля справедлив и для потенциала поля. Другими словами: потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов поля от каждого из зарядов системы. Используя принцип суперпозиции, потенциал поля системы зарядов можно написать сразу :

Здесь — полное число зарядов в системе.

В случае непрерывного распределения заряда по некоторому объему , получим

При непрерывном распределении заряда по некоторой поверхности или кривой , получим соответственно

где и — соответствующие поверхностная и линейная плотности.

В Дополнении 4 разобран пример использования только что полученных соотношений.

Мы не будем рассматривать здесь отдельно вопрос о работе электростатических сил при перемещении в электростатическом поле точечных зарядов и заряженных тел. Электростатическое поле консервативно (рис. 1.26), потенциальная энергия заряда в поле равна , поэтому работа электростатических сил всегда может быть вычислена с помощью соотношений вида

Рис. 1.26. Работа электростатических сил зависит только от положения начальной и конечной точек

Вычислим энергию взаимодействия зарядов, входящих с состав некоторой системы.

Для нумерации этих зарядов удобно использовать два индекса, например, и . Одни и те же заряды системы, один раз это , другой раз это . Подчеркнем, что заряд и заряд это один и тот же 5-ый заряд системы. Такие «сложности» необходимы для компактной записи выражения для их энергии взаимодействия и вот почему. Заряды взаимодействуют попарно, энергия взаимодействия и зарядов согласно равна

Здесь — потенциал заряда в той точке, где находится заряд.

В — взаимодействие заряда самого с собой или его потенциальную энергию в собственном поле мы не рассматриваем.

Поэтому при суммировании энергий попарного взаимодействия зарядов мы обязательно должны учесть, что , во-первых, и, во вторых, каждая пара зарядов должна присутствовать в сумме только один раз. Это можно сделать двумя способами. Первый состоит в том, что при записи двойной суммы, явно оговаривается, например, что :

При втором способе, при соблюдении неравенства , суммирование ведется по всем возможным значениям и , соответственно, слагаемое, отвечающее взаимодействию одной и той же пары зарядов присутствует в сумме дважды, поэтому сумму необходимо разделить на 2. Получается:

В случае непрерывного распределения заряда по некоторому объёму с плотностью , соотношение, к примеру, принимает вид:

В первой из формул в (1.31) — потенциал всех зарядов кроме в той точке , в которой находится , во втором соотношении этот потенциал выписан явно, в третьей выполнена следующая операция: два интеграла, для краткости объединены в один и заряды и выражены через плотность заряда .

Мы не выписываем здесь формулы для случаев распределения заряда по поверхности или вдоль некоторой кривой, они лишь требуют замены в на и .

Для наглядного представления распределения потенциала в пространстве используются эквипотенциальные поверхности.

Эквипотенциальная поверхность (поверхность равного потенциала) — это совокупность точек, имеющих равный потенциал.

Рассмотрим картину эквипотенциальных поверхностей некоторых полей.

Напомним, что как из физических соображений, так и непосредственно из соотношения вытекает взаимная ортогональность силовых линий и эквипотенциальных поверхностей. Действительно, согласно определению, уравнение эквипотенциальной поверхности имеет вид

Дифференцируя это соотношение, получаем

для всех перемещений , касательных к эквипотенциальной поверхности. Значит вектор перпендикулярен эквипотенциальной поверхности. Осталось вспомнить, что вектор направлен по касательной к силовой линии по определению. Утверждение об ортогональности силовых линий и эквипотенциальных поверхностей доказано.

Эквипотенциальные поверхности поля точечного заряда представляют собой концентрические сферы с центром в точке нахождения заряда (см. рис. 1.27). Эквипотенциальные поверхности обозначены сплошными синими линиями, силовые линии — красными пунктирными линиями.

Рис. 1.27. Эквипотенциальные поверхности (сферы) (сплошные линии синего цвета) и силовые линии (пунктирные линии красного цвета) поля точечного заряда

Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля представляют собой плоскости, перпендикулярные силовым линиям и расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга (см. рис. 1.28).

Рис. 1.28. Эквипотенциальные поверхности однородного электрического поля

Эквипотенциальные поверхности поля двух одноименных одинаковых точечных зарядов представлены на рис. 1.29.

Рис. 1.29. Эквипотенциальные поверхности двух одноименных одинаковых точечных зарядов

Эквипотенциальные поверхности поля двух разноименных одинаковых по модулю точечных зарядов представлены на рис. 1.30.

Рис. 1.30. Эквипотенциальные поверхности двух разноименных одинаковых по модулю точечных зарядов

Графический вид двумерного (в плоскости z = 0) потенциала электрического поля, создаваемого точечным зарядом, расположенным в начале координат, показан на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Вид двумерного (в плоскости z = 0) кулоновского потенциала 1/r вблизи положительного (1) и отрицательного (2) точечного зарядов. В случае (1) положительный пробный заряд натыкается на бесконечно высокий потенциальный барьер, препятствующий проникновению к центру. В случае (2) на пробный заряд действует сила притяжения, и он стремится скатиться в образовавшуюся потенциальную яму

Экспериментальное исследование потенциала поля вокруг заряженного металлического шара с помощью «пламенного» зонда показано на рис. 1.32. Используемый зонд присоединен к электрометру. Для выравнивания потенциала зонда с потенциалом той точки, где он находится, измерительный зонд помещается в пламя небольшой газовой горелки, обеспечивающей ионизацию воздуха и возможность стекания и натекания зарядов на зонд. Демонстрируется уменьшение потенциала при перемещении зонда по радиусу от центра шара и постоянство потенциала при движении зонда по окружности вокруг центра заряженного шара.

Рис. 1.32. Экспериментальное исследование потенциала поля вокруг заряженного металлического шара с помощью «пламенного» зонда

В Дополнении 7 получено полезное соотношение для градиента скалярной функции, зависящей только от модуля радиус-вектора.

Дополнительная информация

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *