Что такое электрическое поле в физике

Что такое электрическое поле в физике

По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле . Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля .

Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим . Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле

Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:

Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.

В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом на расстоянии от него, равна по модулю

Это поле называется кулоновским . В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда : если , то вектор направлен по радиусу от заряда, если , то вектор направлен к заряду.

Для наглядного изображения электрического поля используют силовые линии . Эти линии проводят так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии (рис. 1.2.1). При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

Рисунок 1.2.1.

Силовые линии электрического поля

Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рис. 1.2.2. Так как электростатическое поле, создаваемое любой системой зарядов, может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей точечных зарядов, изображенные на рис. 1.2.2 поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля.

Рисунок 1.2.2.

Силовые линии кулоновских полей

Кулоновское поле точечного заряда удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор от заряда к точке наблюдения. Тогда при вектор параллелен а при вектор антипараллелен Следовательно, можно записать:

где – модуль радиус-вектора .

В качестве примера применения принципа суперпозиции полей на рис. 1.2.3. изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака и –, расположенных на некотором расстоянии .

Рисунок 1.2.3.

Силовые линии поля электрического диполя

Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент

где – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль Диполь может служить электрической моделью многих молекул.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H₂O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105° (рис. 1.2.4). Дипольный момент молекулы воды .

Рисунок 1.2.4.

Дипольный момент молекулы воды

Во многих задачах электростатики требуется определить электрическое поле по заданному распределению зарядов. Пусть, например, нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити (рис. 1.2.5) на расстоянии от нее.

Рисунок 1.2.5.

Электрическое поле заряженной нити

Поле в точке наблюдения может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами нити, с зарядом , где заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей Результирующее поле оказывается равным

Вектор везде направлен по радиусу Это следует из симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля по заданному распределению зарядов приводит к громоздким математическим выкладкам. В ряде случаев можно значительно упростить расчеты, если воспользоваться теоремой Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Понятие электрического поля

Электрическое поле — это особый вид материи, которая существует вокруг каждой заряженной частицы и оказывает силовое воздействие на соседние частицы (притягивает их либо отталкивает). Другими словами, электрическое поле частицы позволяет ей взаимодействовать с другими частицами без непосредственного соприкосновения с ними. Электрическое поле оказывает заметное силовое воздействие только вблизи частицы, из которого оно исходит.

Благодаря взаимной компенсации встречных силовых воздействий всех электрополей, сгруппированные частицы обычно пребывают в относительном покое (электрическая нейтральность). Когда же подобное равновесие нарушается, между электрополями частиц начинается перераспределение их воздействий, что образует положительный или отрицательный электрический заряд (q).

Самый яркий пример такого перераспределения — это включение любого электроприбора через вилку в розетку. Электричество (движение зарядов) возникает в электроприборе только после физического приближения его уравновешенной системы к нестабильной системе частиц электросети. Источником же нестабильности в проводах электросети является воздействие на нее других неуравновешенных систем: поток воды, ветер, сжигание топлива, управляемая ядерная энергия и т.д. Все типы электрогенераторов используют природное либо искусственное движение в пространстве большого количества частиц. С помощью этого движения в проводе-проводнике поддерживается неуравновешенность электрополей его частиц.

Понятие электростатического поля

Электростатическое поле является разновидностью электрического поля, и обладает следующими характеристиками:

• Его электрические заряды неподвижны в пространстве поля.
• При отсутствии в системе электрических токов, электрические заряды остаются неизменными.
• Силовые линии поля незамкнуты, не пересекаются и не касаются друг друга.
• С увеличением напряженности поля возрастает густота его силовых линий.
• При перемещении заряда внутри поля его траектория не имеет значения. При расчетах учитывается только величина заряда, а также координаты начальной и конечной точки.

По своим свойствам электростатическое поле схоже с гравитационным. При рассмотрении кулоновских и гравитационных сил в физике применяются одни и те же соотношения, что и образует их схожесть.

Понятие потенциала электрического поля

Уравновешенная система заряженных частиц не способна самостоятельно совершать работу из-за взаимной компенсации своих электрических полей. Однако каждое электрически нейтральное тело обладает возможностью совершить работу при внесении нестабильности в структуру полей его частиц.

Величина энергии, которую можно извлечь из уравновешенных электрических полей частиц, называется потенциалом электрического поля (φ). Иными словами, потенциал является скалярной энергетической характеристикой электрополя. Рассчитывают подобный потенциал (φ) путем деления величины потенциальной энергии электрического заряда (Wp) на величину этого заряда (q):

\[\varphi=\frac\]

Единицей измерения потенциала электрического поля является вольт (В), который определяет разность потенциалов между двумя точками, для перемещения через которые заряду величиной в 1 кулон (Кл) потребуется работа величиной в 1 джоуль (Дж). Исходя из этого, рассчитать работу (А) совершаемую зарядом при перемещении, можно по следующей формуле:

\[A_<12>=W_>-W_>=q \varphi_-q \varphi_=q\left(\varphi_-\varphi_\right)\]

Расчетная же формула единицы измерения потенциала поля выглядит следующим образом:

Для обозначения разности потенциалов поля в формулах принято применять символ Δφ.

Особенности потенциала электростатического поля

Допустим, точечный электрический заряд, пребывая в некой точке пространства, образует именно электростатический тип электрического поля. В этом случае потенциал подобного поля будет равен величине работы, которая потребуется электрическим силам для перемещения единичного положительного заряда из исходной (нулевой) точки на бесконечно далекое расстояние:

\[\varphi_<\infty>=\frac>\]

С помощью такого математического решения снимается проблема с определением потенциала этого уникального типа поля с его неподвижными и неизменяемыми зарядами. Принимая при расчетах условный факт бесконечного расстояния (r) между начальной и конечной точкой, вычислить потенциал точечного заряда уже можно по следующей формуле:

\[\varphi=\varphi \infty=\frac<1> \int_^ <\infty>E d r=\frac \int_^ <\infty>\frac>=\frac<1> \frac\]

Если, исходя из теоремы Гаусса, принять что r ≥ R, то с помощью данной формулы можно вычислить потенциал электростатического поля однородно заряженной шара либо сферы.

Работа сил в электрическом поле

Наглядно увидеть работу электрических сил в электрополе можно с помощью пробного заряда q. Благодаря ему формулу работы для малого перемещения можно вывести следующим образом:

Графически подобная работа в электрическом поле будет выглядеть так:

Чтобы определить силу воздействия электрического поля на заряженную частицу или тело, в электродинамике была введена векторная величина (Е) получившая название «напряженность»:

Напряженность Е измеряет интенсивность поля. При этом направление напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительно заряженную частицу.

Сама же работа (А), которую внутри себя совершает электрополе для перемещения заряда из точки в точку, называется «электрическим напряжением» (U).

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Нужна помощь

Работа сил электростатического поля

Характеристики электростатического типа электрополя накладывают свои особенности при расчете его работы по перемещении заряда. В связи с тем, что форма траектории заряда не имеет значения, логично предполагать, что в электростатическом поле, при перемещении заряда по любой замкнутой траектории, работа сил поля будет равна нулю.

Рассмотрим данное предположение на примере работы кулоновских сил для двух различных траекторий пробного заряда q в электрополе, образованном благодаря заряду Q. Малое перемещение на одной из траекторий обозначим символом \[\Delta \vec\]. Теперь выведем формулу кулоновских сил в электрополе:

\[\Delta A=F \Delta l \cos \alpha=E q \Delta r=\frac<1>> \frac> \Delta r\]

Из формулы становится понятно, что зависимость ее результата привязана к работе, к расстоянию между зарядом-источником поля и перемещаемого заряда, а также к изменению этого расстояния. Если проинтегрировать данное выражение на интервале от r = r₁ до r = r₂, то получаем следующую формулу работы сил электростатического поля:

\[A=\int_^> E \cdot q \cdot d r=\frac>\left(\frac-\frac>\right)\]Теперь изобразим графически работу кулоновских сил при двух перемещениях заряда из точки в точку с разной формой траектории:

Как видим, при обоих перемещениях кулоновские силы произвели одну и ту же работу, ведь при расчете учитываются только координаты начальной и конечной точки, а не то, какой путь между ними проделал заряд.

Далее, если мы изменим вектор движения заряда на противоположный, то и работа тоже поменяет знак. В случае же, когда заряд будет перемещаться по замкнутой траектории (кружить), то, следуя формуле, работа примет нулевое значение. Любое поле, обладающее свойством не иметь работы при замкнутом кружении частицы, называется потенциальным или, по другому, консервативным.

Таким необычным поведением на микроуровне заряженные частицы обязаны особенностями структуры электростатического поля. Согласно главной характеристике подобного поля, оно представляет собой сочетание распределенных и неизменяемых точечных зарядов. И по известному принципу суперпозиции, при перемещении пробного (стороннего) заряда, работа результирующего поля будет равна сумме работ кулоновских полей всех тех зарядов, которые как раз и являются источником их общего электростатического поля.

Существует также иной способ вычислить работу электростатического поля при перемещении в нем заряда. Для этого необходимо рассмотреть свойство потенциальности поля и применить в расчетах потенциальную энергию заряда в электрополе.

Согласно базовому определению, работа электростатического поля, которую оно совершает для перемещения заряда из любой точки своего пространства в нулевую точку, равна потенциальной энергии этого заряда.

Допустим, мы выберем какую-нибудь точку в пространстве координат электростатического поля, поместим в это место заряд и присвоим ее потенциальной энергии нулевое значение (0).

Далее, чтобы не перепутать потенциальную энергию с напряжением поля, обозначаем энергию не как «Е», а как «W». Работу же электрополя обозначаем как «A₁₀».В результате получаем следующую формулу:

\[W_=A_\]Сама по себе величина потенциальной энергии заряда в электростатическом поле смысла не имеет, так как уже неоднократно сказано выше, важны лишь значения координат начальной и конечной точек перемещения. Однако математически потенциальную энергию заряда можно успешно использовать для вычисления совершаемой полем работы. Для этого надо всего лишь найти разность потенциальной энергии точечного заряда в первоначальной точке и в конечной:

\[A_<12>=A_+A_=A_-A_=W_>-W_>\]

Как видно из формулы, у помещенного в электростатическое поле заряда q его потенциальная энергия прямо пропорциональна его величине.

Изображение электрического поля через эквипотенциальные поверхности

Для лучшего понимания структуры электростатического поля, кроме графиков с силовыми линиями применяется также и его отображение через эквипотенциальные поверхности. Подобные поверхности иначе еще называют поверхностями равного потенциала. Они обладают следующими важными свойствами:

1. На эквипотенциальной поверхности у всех ее точек потенциал электрического поля принимает одно и то же значение. То есть, потенциал всех поверхностных точек одинаков.
2. На графических изображениях силовые линии поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
3. При условии однородности электрополя, его эквипотенциальные поверхности выстраиваются параллельно друг другу, то есть являются параллельными плоскостями.

На простом изображении точечного заряда в кулоновском поле эквипотенциальные поверхности принимают вид концентрических сфер. Структуры же взаимодействующих друг с другом полей образуют уже более сложные графические узоры.

На трех рисунках ниже синие окружности отображают эквипотенциальные поверхности, а красным цветом обозначены силовые линии.

Зная свойства однородных полей и применяя к ним принцип суперпозиции напряженности полей разрядов, мы можем вывести и суперпозицию для потенциалов:

φ = φ 1 + φ 2 + φ 3 + . . .

Но перед этим необходимо установить взаимосвязь между потенциалом поля и его напряженностью. Данная закономерность находится при вычислении работы малого перемещения пробного заряда q из точки 1 в конечную точку 2 вдоль силовой линии (координату, которую следует отсчитывать вдоль силовой линии, обозначаем буквой l):

\[\Delta A_<12>=q E \Delta l=q\left(\varphi_-\varphi_\right)=-q \Delta \varphi\]

Исходя из того, что изменение потенциала определено как \[\Delta \varphi=\varphi_-\varphi_\], выводим напряженность поля:

\[\mathrm=-\frac,(\Delta l \rightarrow 0) \text < или иначе: >E=-\frac\]

В последнем выражении связь между потенциалом и напряжением уже становится очевидной.

Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Рисунок 1 . 2 . 4 . Модель электрического поля точечных зарядов.

Рисунок 1 . 2 . 5 . Модель движения заряда в электрическом поле.

Понятие о диполях

Определение 5

Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю зарядов, которые отличаются знаками и расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.

Рисунок 1 . 2 . 6 . Силовые линии поля электрического диполя E → = E 1 → + E 2 → .

Дипольный момент p → является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:

где l → – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль l → = l .

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды ( H 2 O ) , так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105 ° . Дипольный момент молекулы воды p = 6 , 2 · 10 – 30 К л · м .

Рисунок 1 . 2 . 7 . Дипольный момент молекулы воды.

Электрическое поле

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Сила Лоренца описывает воздействие электромагнитного поля на частицу.

Эффект поля заключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

Энергия электрического поля

Основная статья: Электромагнитная энергия

Электрическое поле обладает энергией. Плотность этой энергии определяется величиной поля и может быть найдена по формуле

Направление линий напряжённости между двумя разнозаряженными пластинами

Однородное поле — это электрическое поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках пространства. Приблизительно однородным является поле между двумя разноимённо заряженными плоскими металлическими пластинами. В однородном электрическом поле линии напряжённости направлены параллельно друг другу.

Наблюдение электрического поля в быту

Для того, чтобы создать электрическое поле, необходимо создать электрический заряд. Натрите какой-нибудь диэлектрик о шерсть или что-нибудь подобное, например, пластиковую ручку о собственные чистые волосы. На ручке создастся заряд, а вокруг — электрическое поле. Заряженная ручка будет притягивать к себе мелкие обрывки бумаги. Если натирать о шерсть предмет большей ширины, например, резиновую ленту, то в темноте можно будет видеть мелкие искры, возникающие вследствие электрических разрядов.

Электрическое поле часто возникает возле телевизионного экрана (относится к телевизорам с ЭЛТ) при включении или выключении телеприёмника. Это поле можно почувствовать по его действию на волоски на руках или лице.

Электрическое поле внутри проводников с избыточными зарядами

Из опытов, приводимых в электростатике, известно, что избыточные заряды привнесённые в проводник извне, перемещаются к поверхности проводника и остаются у поверхности проводника. Само перемещение избыточных зарядов к поверхности проводника свидетельствует о наличии электрического поля внутри проводника в период перемещения к поверхности проводника.

Электрическое поле внутри проводников с недостатком собственных электронов

При недостатке собственных электронов тело получает положительный заряд «дырочной» природы. Дырки при этом ведут себя подобно электронам и также распределяются по поверхности тела.

См. также

• Другие поля в физике
• Напряжённость электрического поля
• Однородное электрическое поле
• Электростатическое поле
• Магнитное поле

Литература

• Орир, Джей — Популярная физика: [пер. с англ.].: Мир, 1966. — 446 с.
• Учебник «Элементарный учебник физики» под ред. Ландсберга Г. С., Часть 2 (Электричество и магнетизм.)
• Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов.—2-е изд., перераб. и доп.— М.: Высш. шк., 1990.—478 с.: ил. ISBN 5-06-001540-8

Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 15 мая 2011.

• Электродинамика
• Электростатика

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Электрическое поле» в других словарях:

• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — (электростатическое поле), область вокруг электрического заряда, в которой на каждую заряженную частицу действует некоторая сила. Объект с противоположным зарядом испытывает силу притяжения. Объект, имеющий такой же заряд, как и окружающее его… … Научно-технический энциклопедический словарь
• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления (наряду с магн. полем) электромагнитного поля, определяющая действие на электрич. заряд (со стороны поля) силы, не зависящей от скорости движения заряда. Представление об Э. п. было введено М. Фарадеем в 30 х гг. 19 в.… … Физическая энциклопедия
• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической индукцией). Напряженность электрического поля у… … Современная энциклопедия
• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — (14, а) … Большая политехническая энциклопедия
• ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ — частная форма проявления электромагнитного поля; создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряженностью электрического поля … Большой Энциклопедический словарь
• Электрическое поле — одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости. Источник: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА . ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ … Официальная терминология
• электрическое поле — Одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду этой частицы и не зависящей от ее скорости. [ГОСТ Р 52002 2003] EN electric field constituent of an… … Справочник технического переводчика
• электрическое поле — 06.01.07 электрическое поле [ electric field]: Составляющая электромагнитного поля, которая характеризуется векторами напряженности электрического поля Е и электрической индукции D. Примечание Во французском языке термин «champ electrique»… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
• Электрическое поле — Демонстрация поля электростатического заряда. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, одна из форм электромагнитного поля. Создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Характеризуется напряженностью электрического поля (или электрической… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
• электрическое поле — частная форма проявления электромагнитного поля; создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем и характеризуется напряжённостью электрического поля. * * * ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ, частная форма проявления… … Энциклопедический словарь

• Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте

• �� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,
WordPress, MODx.

• Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
• Искать во всех словарях
• Искать в переводах
• Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории