Электрическое поле

cover
362
Электричество — одна из самых необычных частей окружающего мира. От привычного, но загадочного тока в розетке до резкой и яркой молнии, оно вызывает любопытство у многих из нас. А, значит, настало время изучить его с точки зрения физики.
6 сентября 2024 г.
Содержание статьи

Что такое электрическое поле

Определение, которое дает нам наука, звучит так: 


Электрическое поле — это особый вид материи, окружающий каждый электрический заряд, а также возникающий при наличии изменяющегося во времени магнитного поля. 


Оно оказывает силовое воздействие на все заряды в состоянии покоя, притягивая или отталкивая их. Проще говоря, имеет отношение и к природной стихии (помнишь про электроны в атомах?), и к быту. 


Ладно, наука наукой, а что это такое-то, электрическое поле? Если очень упростить, все мы видели что-то похожее в детстве, когда кидали камешки в воду. Представим, что камень — это заряженная частица. Как только он попадает в воду, вокруг него образуются “блинчики”, то есть круги на воде — это электрическое поле вокруг заряда. А если в это время рядом проплывал, например, листик — другая заряженная частица — то ее всколыхнет волнами, отошедшими от камня, и лист задвижется. Так и работает электрическое поле: вокруг каждой частицы есть поле, и если оно вдруг начинает двигаться, то задевает и находящиеся рядом частицы.

Свойства электрического поля

Как и любое явление в физике, электрическое поле имеет свои особенности. Чтобы лучше понять их, рассмотрим его свойства. 

1. Электрическое поле нельзя заметить невооруженным глазом. Как и многие другие важные для мира вещи, оно невидимо. При этом его определение возможно с помощью соответствующих приборов. Из этого следует свойство под номером два. 

2. Оно материально. Неважно, знаем ли мы что-то о нем или видим, что оно нас окружает, — поле существует и будет существовать даже без нашей планеты. 

3. Электрическое поле непрерывно распределяется в пространстве. 

4. Оно создается заряженными телами, и его можно обнаружить по их взаимодействию между собой. 

5. Ослабевает по мере удаления от заряда. 

6. Электрическое поле действует на заряды с определенной силой. 

7. Распространяется в вакууме со скоростью света — 300 000 км/с. 

8. Оно часть общего электромагнитного поля Земли и возникает за счет электромагнитного взаимодействия. 

Электрический заряд

Понятие электрического заряда занимает важное место в изучении электромагнитных полей.


Электрический заряд — физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.


Проще говоря, в физике электрическим зарядом называют характеристику способности объектов входить в электрическое взаимодействие. Тела с одним типом заряда отталкиваются, а с разными — притягиваются. 

[q] = 1 Кл

Один кулон (Кл) — заряд, за одну секунду проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 ампер. (А) 

Тоже вспомним про воду, но теперь представим реку, по которой плывут бревна. Каждое такое бревно это и есть один кулон. А Ампер — это ветер, который эти бревна гонит. 



Сила тока (I) — скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение, к промежутку времени (t), в течение которого шел ток. Измеряется в амперах. (А) 

I = q/t

А теперь нужно узнать силу потока в реке 

Так вот сила потока (I) — это количество бревен (q), которые проплыли через определенную точку за определенное время(t) при определенной силе ветра (А). Тогда чтобы узнать силу потока, нужно будет количество бревен, проплывших через точку, разделить на прошедшее время. Так мы узнаем силу потока в секунду. И он будет измеряться как раз в бревнах, ой, в Кулонах. 

В свою очередь, элементарный электрический заряд равен 1,6 х 10-19 Кл. 

Основной характеристикой заряда является то, положительный он или отрицательный. У каждой заряженной частицы всегда есть пара с противоположным зарядом. 

Знаете шутку про то, что интроверты не ищут друзей — просто однажды их находят экстраверты и забирают себе? Вот тут так же, у экстраверта всегда должен быть интроверт. А если его вдруг нет — он сразу бросается на поиски.

Принципы квантования и сохранения заряда

Одними из основ физики являются принципы квантования и сохранения заряда. 

Принцип квантования заряда говорит нам о том, что электрический заряд всегда равен целому числу, кратному элементарному заряду. 


Проще говоря, заряд не может быть дробным и всегда будет без остатка делиться на 1,6 х 10-19 Кл.


Принцип сохранения заряда, в свою очередь, гласит: в закрытой системе электрический заряд (или алгебраическая сумма разноименных зарядов) остается постоянным. 

Другими словами, ни один электрический заряд не может просто появиться из ничего, и не может просто исчезнуть вникуда. Если он пропал — значит, переместился или преобразовался из одной формы в другую.

Закон Кулона

Созданная Кулоном концепция говорит нам, что два заряда, находящихся, в состоянии покоя, отталкивают или притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной произведению их величин, но обратной длине расстояния между этими ними во второй степени. Также сила их взаимодействия не может измениться при присутствии третьего. 

Давайте понятнее: есть Сила (F), есть заряды (q1 и q2), есть расстояние (r). А еще есть ты, очень уставший после учебного дня, и кроватка, в которую ты хочешь лечь. Так вот F — это сила, с которой кровать тянет тебя к себе, q1 — это твоя усталость, q2 — заряд кровати (она заправлена или нет?), а r — расстояние между тобой и кроваткой. Если ты еще в школе, то навряд ли ляжешь, а вот когда она совсем рядом, в той же комнате — сила притяжения растет. Поэтому чем r больше, тем F слабее. 

Еще в формуле появляется k — константа. По сути, что-то постоянное: например то, насколько у тебя комфортная кровать. В мягкую и удобную кровать с ортопедическим матрасом ведь хочется больше, чем на жесткий диван? 

Вот и выходит, что ты и кровать притягиваетесь друг к другу с силой, пропорциональной вашим зарядам, поделенным на расстояние между вами в квадрате. Ну и сила притяжения увеличивается, если кровать удобная.

Напряженность

Напряженность — векторная величина и силовая характеристика поля. Обозначается символом E. 

Векторная — означает, что у него есть две характеристики: направление и величина, то есть то, куда заряд тянется и с какой силой. Выходит, напряжённость — это то, с какой силой и куда электрическое (или другое) поле толкает объект, находящийся внутри. 

Формула напряженности — E = F/q

Где q — пробный заряд, находящийся в определенной точке, F — сила, которая действует на него со стороны поля. 


Пробным называют заряд, который достаточно мал, чтобы не оказывать воздействие на распределение полей и других зарядов в системе. 

Если внимательно рассмотреть формулу, можно заметить, что если заряд положительный, то сила, действующая на него, действует в том же направлении, что и напряженность электрического поля. 

При отрицательном заряде напряжение действующей на него силы противоположно направлению напряженности. 

Напряженность идет от заряда, который создает поле, ведь, вспоминаем пару абзацев назад, пробный заряд на нее не влияет. 

Силовые линии

Силовыми линиями (линиями напряженности) называют линии, касательные к которым совпадают с вектором напряженности.


Такое определение частично отражает и их свойства.

1. Не пересекаются между собой. 

2. Входят из бесконечности в отрицательный заряд. (относительно одного заряда в системе)

3. Выходят из положительного заряда, уходя в бесконечность. (относительно одного заряда в системе)

4. Степень сгущения силовых линий электростатического поля пропорциональна модулю его напряженности: чем гуще линии, тем больше напряженность поля. Тут как с канцелярскими резинками: натяни между тремя ножками стула пять резинок — и они легко будут продавливаться вниз, натяни тысячу — и давить на них станет сильно сложнее. Потому что их напряжение не будет давать тебе на них воздействовать.

Виды электрических полей

Электрические поля делятся на две основные группы — однородные и неоднородные. 

У однородных полей векторы напряженности одинаковы во всех точках пространства. 

В группе неоднородных полей векторы напряженности отличаются по величине и направлению в зависимости от выбранной точки поля. 

Простым примером неоднородного поля можно считать электрический диполь — система из двух зарядов, положительного и отрицательного, которые действуют друг на друга. Чаще всего в физике уделяется внимание точеченым диполям. В них расстояние между положительно и отрицательно заряженной частицей настолько мало, что им можно пренебречь. В теории существует возможность разделения совокупности зарядов на множество электрических диполей.

Можно выделить также вихревые поля. Они устроены более сложно, и их неоднородность заметна гораздо сильнее.

Потенциал

Потенциал — энергетическая характеристика, обозначающая отношение потенциальной энергии пробного заряда, который он обладает в определенной точке, к его величине. Он обозначается буквой φ (фи) и измеряется в вольтах. (В) 

Опять же упрощая, потенциал — это концепция, которая помогает понять, как электроны и заряды «чувствуют» себя в электрическом поле. Представь, что стоишь на горке. Чем выше ты находишься, тем больше потенциальной энергии у тебя есть. Если ты скатишься вниз, эта энергия будет превращаться в движение. Когда горка поменьше — то и энергии потенциальной меньше. Так же и с электрическим зарядом — в зависимости от точки, потенциальная энергия меняется. 

Формула потенциала выглядит следующим образом: 

φ = W/q

Здесь W — потенциальная энергия, q — пробный заряд. 

Потенциал является скалярной физической величиной, то есть не имеет направления, поэтому знак потенциала совпадает со знаком заряда, создающего поле. 

Значение потенциала будет зависеть от выбора нулевого уровня, с которого начнется отсчет потенциальной энергии, разность потенциалов, в свою очередь, не зависит от этого.

Существует такое понятие, как эквипотенциальные поверхности. По определению они обладают одинаковым потенциалом, находятся на равном расстоянии от заряженных тел и, как правило, повторяют их форму. Также они перпендикулярны силовым линиям. 

Напряжение

Напряжением называют отношение работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда.

Оно обозначается буквой U, измеряется в вольтах (В) и вычисляется по формуле

U = A/q

A — работа электрического поля, которую можно выразить через разницу потенциалов (A = φ1−φ2). 

q — заряд. 

Расчет электрического поля

Для проведения расчетов используют несколько методов, как аналитических, так и числовых.

Метод эквивалентных зарядов. Его основное преимущество в том, что коэффициенты линейной системы уравнений вычисляются по формулам замкнутого вида. Поэтому он подходит для более простых задач, например, — для расчетов полей в системах тонких проводов круглого сечения.

Расчет с использованием интегральных уравнений. Он более сложный, но при этом подходит не для всех устройств. Рассчитать поле высоковольтных аппаратов со множеством электродов может быть невозможно.

Метод сеток или конечных разностей — один из наиболее эффективных сейчас. Он является числовым методом, и раньше проводить расчеты вручную было сложно. С появлением мощных ПК он стал более распространен.

Существуют также вариационные методы, применяемые в зависимости от задач.

Заключение

Электричество — важный элемент в физике, и общие знания об электрическом поле — лишь начало большого пути в его изучении. Формулы, связанные с электромагнитными полями, встретятся нам еще не раз. О других определениях мы поговорим в следующих уроках.


Проверь себя

1. Особый вид материи, окружающий каждый электрический заряд, называется?

а) Зарядной энергией;

б) Зарядным полем;

в) Электрическим полем.


2. Линии, касательные к которым совпадают с вектором напряженности, называются?

а) Силовыми линиями;

б) Зарядными линиями;

в) Электрическими линиями.


3. Потенциал обозначается буквой?

а) q

б) λ

в) φ

Admin1