Что является энергетической характеристикой электростатического поля

Потенциал электростатического поля — характеристика, формула и примеры определения

Что является энергетической характеристикой электростатического поля

Существует несколько видов взаимодействий. Например, гравитация определяется силой тяжести, а трение и упругость имеют электромагнитную природу. Изучает их электродинамика, одним из разделов которой является электростатика. Суть этой науки заключается в изучении взаимодействия зарядов, находящихся в неподвижном состоянии.

С физической точки зрения, любые тела влияют друг на друга. Между ними всегда действует сила притяжения. Но это явление незаметно из-за слабости существующих сил, связанной с массой тела.

В 1600 году физик Уильям Гильберт, проводя эксперименты с янтарём, обнаружил, что если его потереть об шерсть, он начинает притягивать к себе лёгкие предметы.

Им было обнаружено, что существует некая субстанция, с помощью которой можно описать новый вид взаимодействия. Получила она название «электростатическое поле».

Этот термин произошёл от слова «электрон», которое с греческого обозначает «янтарь». Было установлено, что в природе существуют силы, вызванные электрическим зарядом. Под ним решили понимать то, присутствие чего на телах вызывает их электростатическое взаимодействие. Сам же этот процесс назвали электризацией. Тела, способные взаимодействовать между собой, стали считать наэлектризованными.

В 1729 году член Парижской Академии наук Шарль Дюфе, изучая силы взаимодействия разных тел, установил, что существует два вида энергии. Один он получал при трении стекла о шёлк (стеклянный), а другой — смолы о шерсть (смоляной). В результате было установлено ключевое отличие возникающих сил от гравитационных. Первые обладали не только притяжением, но и отталкиванием.

Бенджамин Франклин предложил разделять существующие заряды по знаку на положительные и отрицательные. Таким образом, были сформулированы следующие природные свойства:

  • каждые тела состоят из элементарных носителей энергии;
  • электрический заряд является численной характеристикой;
  • частицы с одинаковым знаком отталкиваются друг от друга, а с одноимённым — притягиваются;
  • в мире количество положительных зарядов совпадает с числом отрицательных.

То есть при определённом действии, например, трении можно создать условия, при котором в телах произойдёт разделение зарядов, при этом величина их будет одинакова. Этот эффект назвали суперпозицией. Причём между разделёнными частицами возникает электростатическое поле, за энергетическую характеристику которой приняли потенциал.

Работа электростатического поля

Пусть имеется заряд, находящийся в электрическом поле. На него действует постоянная сила. Если носитель энергии перемещается из одной точки пространства в другую, то говорят о выполнении им работы. В простейшем случае можно рассмотреть однородное поле. В качестве него можно использовать конденсатор. В нём правая пластина пусть будет заряжена положительно, а левая — отрицательно.

Считается, что линии электрического поля будут направлены от плюса к минусу. В некоторой точке этого однородного состояния находится заряд. Для конкретики его можно принять положительным и обозначить буквой A. Под действием сил он перемещается в точку Б. Задача состоит в нахождении работы, совершаемой полем для изменения положения заряженной частицы.

Из механики известно, что такое действие может быть определенно произведением действующей на заряд силы и модуля перемещения, умноженным на косинус угла между ними: A = F * S * cos (a). Так как заряд положительный, то его направление будет совпадать с линиями электрического поля (напряжённостью E). Сила находится по формуле: F = q * E. Тогда, подставляя модуль этого вектора в выражение для работы, можно записать: A = q * E * S * cos (a).

Произведение S * cos (a) представляет собой проекцию отрезка перемещения на направление электрического поля. Изобразить её можно как перпендикуляр, опущенный на E. В результате получится прямоугольный треугольник. Обозначить прилежащий катет (проекцию) можно буквой d. В итоге формула для работы примет вид: A = q * E * d, где:

  • q — заряд;
  • E — напряжённость;
  • d — проекция перемещения.

Пусть заряд перемещается по кривой. Например, проходит путь А-С-В. Значит, будет существовать два вектора S1 и S2. Тогда работа будет определяться как сумма A = Σ ΔAi. То есть если поле однородное (электростатическое), то работа по перемещению заряда не зависит от траектории, а определяется только начальным и конечным положением носителя заряда.

Таким свойством обладают силы тяжести и упругости. Называются они потенциальными. Следовательно, работа по перемещению электричества является такой же. Происходит она за счёт потенциальной энергии заряда, находящего в поле. Поэтому работа равняется уменьшению её значения. Выполненное действие пропорционально заряду, то есть отношению: W / q. Эта величина и получила название «электрический потенциал».

Свойства потенциала

Между находящимися частицами в электрическом поле существует напряжение. Оно равно отношению работы к числу заряда. Находят его по формуле: U = A / q. За единицу измерения напряжения принимают вольт. Обозначают его буквой В, характеризуется эта величина отношением джоуль на кулон. Так как разность потенциалов фактически является напряжением, то и измеряют её тоже в этих величинах.

Обозначают электрический потенциал буквой φ (фи). Он позволяет описывать электрическое поле, поэтому его называют энергетической характеристикой. Это скалярная величина. Определяется она как отношение потенциальной энергии заряда к его значению. В то же время напряжённость является силовой характеристикой. Так как эти два явления описывают одно и то же, то между ними существует связь.

Напряжённость позволяет определить силу, действующую на носитель энергии: E = F /q. Если вектор во всех точках пространства имеет одинаковое направление, то поле однородное. В нём на заряд действует сила F, определяемая как произведение заряда на вектор напряжённости. Пусть частица переместилась из А в В. Тогда она пройдёт расстояние d.

Совершённая работа будет определяться как A = q * E * d. Это то же, что A = U * q. Записанные выражения можно приравнять, причём сократить левую и правую часть на q. В результате получится связь между величинами: U = E * d. Так как напряжение — это разность потенциальности начальной и конечной точек, то формулу можно переписать так: φ1 — φ2 = E * d.

Отсюда можно сделать выводы:

  1. Если в определённой области пространства поля нет (E = 0), значит, φ 1 = φ 2, то есть потенциал равняется константе. Другими словами, φ во всех точках будет одинаковой. Например, во всех точках проводника потенциал будет одним и тем же.
  2. По сути, потенциальная энергия — это материя, определяющая электрическое взаимодействие тел. Поэтому, чтобы её определить, нужно знать значение φ в начальном положении и после перемещения заряда. Для удобства исходное состояние принимают за ноль. В электротехнике за нулевой уровень потенциал берут величину Земного шара. В теоретической же физике считается, что φ = 0 в бесконечности. Там, где нет электрического поля.
  3. Эквипотенциальные поверхности и силовые линии взаимно перпендикулярны.

Для понимания следует дать определение эквипотенциальной поверхности. За неё принимают пространство, во всех точках которого потенциал одинаков.

Решение задач

Для успешного решения заданий, связанных с электрическим потенциалом, нужно не только знать несколько формул, но и понимать суть явления. Кроме этого, часто приходится пользоваться справочником по электрофизике. Например, для выяснения массы зарядов.

Вот несколько типовых задач, рассчитанных на самостоятельную проработку учащимися в рамках школьной программы:

  1. В проводнике на удалении друг от друга находятся два точечных заряда q1 = 100 нКл и q2 = 10 нКл. Расстояние между ними равно 10 сантиметров. Найти их потенциальную энергию. Для решения задачи нужно использовать то, что сила взаимодействия зарядов определяется законом Кулона: F = k * q / r, где k — справочная величина (электрическая постоянная). Учитывая, что φ = q / (4 * p * E0 * r), для рассматриваемого случая можно записать: E = (q1 * q2) / (4 * p * E0 * r) = (10-7 * 10-8) / (4 * 3,14 * 8,85 * 10-12 * 0,1) = 9 * 10-5 Дж.
  2. Электрический заряд из точки А переместился в В. При этом появилось напряжение, равное 1 кВ. Работа, затраченная на перемещение, составила 40 мкДж. Определить значение заряда. Используя то, что напряжение — это разность потенциалов, находимая как отношение работы к величине энергии: Δ φ = A / q, решить пример можно в одно действие: q = A / U = 400 * 10-6 Дж / 1 * 103 В = 40 * 10-9 Кл.
  3. Сферу из металла радиусом в один метр положили на пол. Её заряд составляет 10-6 Кл. Определить, во сколько раз снизится потенциал поля сферы на расстоянии 60 см от центра шара, если его радиус увеличится в 3 раза. Исследуемая точка находится внутри тела. Так как в этом случае потенциал точки в середине и на поверхности одинаков, то он зависит от радиуса сферы: φ1 = K * q / r. В итоге он станет втрое меньше, чем вначале: φ2 = K * q / 3r.
  4. При перемещении точечного заряда q =10 нКл из бесконечности в точку, находящуюся на расстоянии r = 10 см от поверхности заряженной сферы, была выполнена работа А = 0,5 мкДж. Радиус шара составляет 4 см. Вычислить поверхностный потенциал. Решение примера будет выглядеть так: φ = A * (R + r) / q0 * R = 0,5 *10-6 Дж * (0,2 м + 0,0 4 м) / 10 * 10-9 Кл * 0, 2 м = 3 *102 В = 0,3 кВ.

Таким образом, решать задачи, связанные с потенциалом, просто. Но при этом важно следить, в чём должны измеряться подставляемые величины. Все вычисления выполняют в Международной системе единиц (СИ).

Источник: https://nauka.club/fizika/potentsial-elektrostaticheskogo-polya.html

SA. Работа поля

Что является энергетической характеристикой электростатического поля

На электрические заряды в электростатическом поле действуют силы. Поэтому, если заряды перемещаются, то эти силы совершают работу. Рассчитаем работу сил однородного электростатического поля при перемещении положительного заряда q из точки A в точку B (рис. 1).

На заряд q, помещенный в однородное электрическое поле с напряженностью E, действует сила \(~\vec F = q \cdot \vec E \). Работу поля можно рассчитать по формуле

\(~A_{AB} = F \cdot \Delta r \cdot \cos \alpha,\)

где Δr⋅cos α = AC = x2x1 = Δx — проекция перемещения на силовую линию (рис. 2).

Тогда

\(~A_{AB} = q \cdot E \cdot \Delta x. \ \ (1)\)

Рассмотрим теперь перемещение заряда по траектории ACB (см. рис. 1). В этом случае работа однородного поля может быть представлена как сумма работ на участках AC и CB:

\(~A_{ACB} = A_{AC} + A_{CB} = q \cdot E \cdot \Delta x + 0 = q \cdot E \cdot \Delta x\)

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Для чего служит полупроводниковый диод

(на участке CB работа равна нулю, т.к. перемещение перпендикулярна силе \(~\vec F \)). Как видно, работа поля такая же, как и при перемещении заряда по отрезку AB.

Не сложно доказать, что работа поля при перемещении заряда между точками AB по любой траектории будет находиться все по той же формуле 1.

Таким образом,

  • работа по перемещению заряда в электростатическом поле не зависит от формы траектории, по которой двигался заряд q, а зависит только от начального и конечного положений заряда.
  • Это утверждение справедливо и для неоднородного электростатического поля.

Найдем работу на замкнутой траектории ABCA:

\(~A_{ABCA} = A_{AB} + A_{BC} + A_{CA} = q \cdot E \cdot \Delta x + 0 — q \cdot E \cdot \Delta x = 0.\)

Поле, работа сил которого не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю, называется потенциальным или консервативным.

Потенциал

Из механики известно, что работа консервативных сил связана с изменением потенциальной энергии. Система «заряд — электростатическое поле» обладает потенциальной энергией (энергией электростатического взаимодействия). Поэтому, если не учитывать взаимодействие заряда с гравитационным полем и окружающей средой, то работа, совершаемая при перемещении заряда в электростатическом поле, равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

\(~A_{12} = -(W_{2} — W_{1}) = W_{1} — W_{2} . \)

Сравнивая полученное выражение с уравнением 1, можно сделать вывод, что

\(~W = -q \cdot E \cdot x, \)

где x — координата заряда на ось 0Х, направленную вдоль силовой линии (см. рис. 1). Так как координата заряда зависит от выбора системы отсчета, то и потенциальная энергия заряда так же зависит от выбора системы отсчета.

Если W2 = 0, то в каждой точке электростатического поля потенциальная энергия заряда q0 равна работе, которая была бы совершена при перемещении заряда q0 из данной точки в точку с нулевой энергией.

Пусть электростатическое поле создано в некоторой области пространства положительным зарядом q. Будем помещать в некоторую точку этого поля различные пробные заряды q0. Потенциальная энергия их различна, но отношение \(~\dfrac{W}{q_0} = \operatorname{const}\) для данной точки поля и служит характеристикой поля, называемой потенциалом поля φ в данной точке.

  • Потенциал электростатического поля φ в данной точке пространства — скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии W, которой обладает точечный заряд q в данной точке пространства, к величине этого заряда:

\(~\varphi = \dfrac{W}{q} .\)

Единицей потенциала в СИ является вольт (В): 1 В = 1 Дж/Кл.

  • Потенциал — это энергетическая характеристика поля.

Разность потенциалов. Напряжение

Работа сил электростатического поля по перемещению заряда q0 из точки 1 в точку 2 поля

\(~A_{12} = W_{1} — W_{2} .\)

Выразим потенциальную энергию через потенциалы поля в соответствующих точках:

\(~W_{1} = q_0 \cdot \varphi_1 , W_{2} = q_0 \cdot \varphi_2 .\)

Тогда

\(~A_{12} = q_0 \cdot (\varphi_1 — \varphi_2) .\)

Таким образом, работа определяется произведением заряда на разность потенциалов начальной и конечной точек.

Из этой формулы разность потенциалов

\(~\varphi_1 — \varphi_2 = \dfrac{A_{12}}{q_0} .\)

  • Разность потенциалов — это скалярная физическая величина, численно равная отношению работы сил поля по перемещению заряда между данными точками поля к этому заряду.

В СИ единицей разности потенциалов является вольт (В).

  • 1 В — разность потенциалов между двумя такими точками электростатического поля, при перемещении между которыми заряда в 1 Кл силами поля совершается работа в 1 Дж.

Разность потенциалов в отличие от потенциала не зависит от выбора нулевой точки. Разность потенциалов φ1 — φ2 часто называют электрическим напряжением между данными точками поля и обозначают U:

\(~U = \varphi_1 — \varphi_2 .\)

  • Напряжение между двумя точками поля определяется работой сил этого поля по перемещению заряда в 1 Кл из одной точки в другую.

Работу сил электрического поля иногда выражают не в джоулях, а в электронвольтах.

  • 1 эВ равен работе, совершаемой силами поля при перемещении электрона (е = 1,6·10-19 Кл) между двумя точками, напряжение между которыми равно 1 В.

1 эВ = 1,6·10-19 Кл·1 В = 1,6·10-19 Дж.1 МэВ = 106 эВ = 1,6·10-13 Дж.

Разность потенциалов и напряженность

Рассчитаем работу, совершаемую силами электростатического поля при перемещении электрического заряда q0 из точки с потенциалом φ1 в точку с потенциалом φ2 однородного электрического поля.

С одной стороны работа сил поля \(~A = q_0 \cdot (\varphi_1 — \varphi_2)\).

С другой стороны работа по перемещению заряда q0 в однородном электростатическом поле \(~A = q_0 \cdot E \cdot \Delta x\).

Приравнивая два выражения для работы, получим:

\(~q_0 \cdot (\varphi_1 — \varphi_2) = q_0 \cdot E \cdot \Delta x, \;\; E = \dfrac{\varphi_1 — \varphi_2}{\Delta x},\)

где Δx — проекция перемещения на силовую линию.

Эта формула выражает связь между напряженностью и разностью потенциалов однородного электростатического поля. На основании этой формулы можно установить единицу напряженности в СИ: вольт на метр (В/м).

Литература

  1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 228-233.
  2. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения (базовый и повышенный уровни) /В. В. Жилко, Л. Г. Маркович. — 2-е изд., исправленное. — Минск: Нар. асвета, 2008. — С. 86-95.

Источник: http://www.physbook.ru/index.php/SA._%D0%A0%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F

Потенциал в электростатике

Что является энергетической характеристикой электростатического поля

Определение 1

Электростатический потенциал представляет скалярную энергетическую характеристику электростатического поля, характеризующую потенциальную энергию, обладателем которой является единичный положительный пробный заряд, который поместили в данную точку поля. В качестве единицы измерения потенциала в системе единиц выступает вольт.

Электростатическое поле представляет образованное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрозарядами поле (при условии отсутствия электрических токов). Электрическое поле, таким образом, считается особым видом материи, связанным с электрическими зарядами и передающим воздействия зарядов друг на друга.

Так, при присутствии в пространстве системы заряженных тел, то в каждой его точке будет фиксироваться существование силового электрического поля, определяемого через силу, воздействующую на пробный точечный заряд, помещенный в данное поле. Пробный заряд должен при этом быть ничтожно малым, чтобы не оказать влияние на характеристику электростатического поля.

  • Курсовая работа 430 руб.
  • Реферат 270 руб.
  • Контрольная работа 250 руб.

Рисунок 1. Электростатическое поле. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Электрическое поле называют однородным в ситуации, если вектор его напряженности оказывается одинаковым во всех точках поля.В качестве главных характеристик электростатического поля выделяют следующие:

  • напряженность;
  • потенциал.

Силовые линии такого поля обладают такими свойствами:

  1. Они будут всегда замкнутыми, то есть начинающимися на положительных зарядах и заканчивающимися на отрицательных. Они не пересекаются между собой и не касаются друг друга.
  2. Плотность линий тем больше, чем большей будет напряжённость. Другими словами, напряжённость поля является прямо пропорциональной количеству силовых линий, пересекающих площадку единичной площади, чье расположение будет перпендикулярно линиям.

Замечание 1

Электростатическое поле оказывает непосредственное воздействие на любое количество зарядов, при этом возникнет сложная система взаимодействий. Напряженность системы можно рассматривать с точки зрения суперпозиции, поэтому суммарное влияние числа зарядов является векторной суммой всех напряженностей поля.

В соответствии с этим, чем больше таких линий, тем интенсивнее оказывается силовое воздействие. В металлах (и иных проводящих материалах) напряженность поля будет отсутствовать (за счет встречно направленного действия поля свободных носителей заряда, пребывающих в структуре кристаллической решетки).

Фактически, силы оперативно уравниваются, фиксируется отсутствие тока, а линии напряженности не способны проникнуть в такой проводник. Помимо векторных величин, поле может описываться скалярными значениями (идеальный случай), взятыми в каждой точке. Такие значения в электростатике характеризуют потенциал поля.

Определение электростатического потенциала

Тело, пребывающее в потенциальном поле сил (а электростатическое поле считается потенциальным), имеет потенциальную энергию, посредством которой силами поля будет совершаться работа. Работа консервативных сил будет выполняться за счет убыли потенциальной энергии

Электростатический потенциал является специальным термином в случае возможной замены общего термина в электродинамике (скалярный потенциал). Исторически в физике первым наблюдается появление термина «электростатический потенциал», а уже скалярный потенциал электродинамики стал его обобщением.

В связи с тем, что потенциал (равно как и потенциальная энергия) может определяться с точностью до произвольной постоянной (и все величины, которые возможно измерить: напряженности поля, силы, остаются неизменными в независимости от выбора способа постоянной величины) непосредственным физическим смыслом (если не имеются в виду квантовые эффекты) обладает не сам потенциал, а разность потенциалов.

При этом принято считать, что прочие заряды при подобной операции «заморожены» (неподвижны в момент такого перемещения (подразумевается воображаемое, а не реальное перемещение). При этом, в редких случаях, с целью снятия неоднозначности, используют определенные «естественные» условия.

Рисунок 2. Потенциал электростатического поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Так, например, часто потенциал определяется таким образом, чтобы его значение оказывалось равнозначно нулевому на бесконечности для какого-либо точечного заряда. В такой ситуации для любой конечной системы зарядов будет выполнимо на бесконечности аналогичное условие, а над произволом выбора константы при этом можно будет не задумываться.

Особенности кулоновского потенциала

Иногда такой термин, как «кулоновский потенциал» применяется при обозначении электростатического потенциала (в формате полного синонима). При этом они несколько различны касательно области применения.

Замечание 2

Зачастую, под «кулоновским потенциалом» понимают электростатический потенциал одного (или, возможно, нескольких) точечного заряда, который получен посредством сложения кулоновского потенциала каждого из них.

Зачастую даже в ситуации с потенциалом, созданным непосредственно непрерывно распределенными зарядами, если его и называют «кулоновским», то это может означать его выражение в виде суммы числа элементов (пусть и бесконечного), на которые разбивается заряженный объем, однако при этом потенциал каждого рассчитывается в виде потенциала точечного заряда.

При этом, в связи с тем, что электростатический потенциал может быть, в принципе, выражаться подобным образом практически всегда, разграничение терминов в таком случае становится довольно размытым.

Рисунок 3. Кулоновские силы. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Под «кулоновским» также понимается потенциал любой природы (иными словами, он не обязательно должен быть электрическим), который при наличии точечного или сферически симметричного источника будет зависимым от расстояния на $\frac {1}{г}$ (гравитационный потенциал в теории тяготения Ньютона, например, хоть его часто называют «ньютоновским», поскольку он был исследован раньше)). Особенно это происходит в случае необходимости обозначения всего класса потенциалов (в отличие от потенциалов с некоторыми другими «зависимостями» от расстояния.

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что такое реверсивный пускатель

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodinamika/potencial_v_elektrostatike/

Электрическое поле – это?

> Теория > Электрическое поле – это?

На вопрос о том, что такое электрическое поле, однозначно ответить совсем непросто, так как это понятие всегда употребляется в определённом контексте. С точки зрения электротехники, например, электрические поля – это особые энергетические образования, создаваемые единичным зарядом (или группой зарядов).

Визуальное представление поля

Важно! Их следует отличать от так называемого «электростатического» поля, создаваемого искусственно разделёнными зарядами противоположного знака.

С учётом этого замечания предложенное определение не противоречит классической трактовке, представляющей их как одну из составляющих электромагнитного поля.

Особенности электрического поля и его свойства

Человеческому разуму пока недоступно понимание сущности полевых образований, которые проявляются в виде слабых и сильных взаимодействий. Но учёные, тем не менее, достигли некоторого прогресса в освоении механизма вторичных проявлений и научились трансформировать приобретённые знания в полезные изобретения.

Основная физическая причина возникновения эл. полей – это наличие одного или нескольких свободных зарядов, изменяющих свойства данного участка пространства.

Обратите внимание! Образование поля вокруг заряда происходит со скоростью света, что соответствует тому же значению для электромагнитных энергий.

При таком подходе к понятию электрического поля оно может быть представлено как ограниченная часть пространства, в центр которой помещён одиночный заряд.

Один из уже изученных эффектов, наблюдаемых в зоне воздействия эл. полей, состоит в том, что на поверхности помещённой в него проводящей среды образуются области концентрации свободных зарядов (электронов и «дырок»). Это явление широко используется при изготовлении таких известных электронных компонентов, как биполярные и полевые транзисторы.

К наиболее важным свойствам распределённых в пространстве электрических полей относится способность их воздействия на неподвижные или движущиеся относительно исследователя заряженные частицы. Во втором случае этот эффект проявляется в виде ускоряющей силы, приводящей в движение сам материальный носитель (проводник с электрическим током, например).

Формируемая вследствие этого эффекта сила по закону Лоренца всегда направлена поперёк перемещения зарядов, а её величина зависит от напряжённости поля и скорости движения частиц (силы тока).

Характеристики электрических полей

Единица измерения напряжения

Особенность любого полевого образования состоит в том, что оно обладает способностью действовать на некотором удалении от своего источника. Указанный эффект позволяет ввести количественные характеристики электрического поля, представленные напряжённостью (интенсивностью) и потенциалом в определённой точке.

Первый из этих показателей является векторной величиной, а второй – характеризует её количественные или энергетические свойства. Абсолютное значение напряжённости выражает силу, с которой поле действует на помещённую в него заряженную частицу. Интенсивность выражается как отношение этой силы к величине единичного заряда:

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M].

Потенциал в определённой точке поля – это отношение энергии, помещённой в него частицы, к величине её заряда:

φ = W/Q [В].

Геометрическое место точек, соответствующее одинаковым потенциалам, в электротехнике называют эквипотенциальной поверхностью или сферой.

Графическое представление

Для графического представления полей используются условно вводимые силовые линии, касательные к которым по своему направлению совпадают с вектором напряженности в данной точке.

Дополнительная информация. Для одиночных зарядов силовые линии никогда не замыкаются; они или начинаются на плюсовом заряде, или же заканчиваются на минусовом.

С условным схематическим изображением распределённого поля, учитывающим полярность зарядов, можно ознакомиться на рисунке, размещённом ниже. Вариант распределения линий напряжённости при противоположном знаке заряда приводится на том же схемном изображении.

Из представленных на этих рисунках изображений видно, что к основным характеристикам электрического поля может быть отнесён градиент напряжённости, позволяющий количественно оценить изменение потенциала по мере удаления от центра.

Определённый интерес также представляет ситуация, когда поле создаётся двумя зарядами, находящимися в непосредственной близости один от другого (смотрите рисунок ниже).

Линии напряжённости двух зарядов

В этом случае характер распределения линий напряжённости несколько усложняется (за счёт замыкания их на противоположный заряд).

Практическое применение

С практической точки зрения наибольший интерес представляет ситуация, когда в электрическое поле помещаются следующие электротехнические материалы:

  • Проводники, в которых всегда имеется большое количество свободных электронов и по которым может протекать электрический ток;
  • Диэлектрики, отличающиеся ограниченным содержанием свободных заряженных частиц.

О том, как ведут себя проводники и диэлектрики в электрическом поле, необходимо поговорить особо.

Проводники

При помещении в поле проводника по нему начинает течь электрический ток за счёт наличия в его материале свободных электронов. Протекающий ток образует вокруг проводника своё собственное электромагнитное поле, которое вступает во взаимодействие с исходным полевым образованием. Вследствие этого взаимодействия проводник начинает отклоняться в сторону, зависящую от направления движения электронов по нему.

Обратите внимание! При смене полярности проводник будет отклоняться в противоположную сторону.

Однако этот эффект имеет и обратное действие, которое может быть описано следующим образом:

  • При перемещении в электрическом поле любого замкнутого проводника в нём начинается перемещение электрических зарядов. При разомкнутом проводнике на его концах появляется электрический потенциал (электродвижущая сила);
  • Под действием этой силы по проводнику, подключённому к нагрузке, начинает течь ток определённой величины;
  • Направление потока электронов зависит от того, в какую сторону перемещается сам проводник;
  • Величина этого тока пропорциональна скорости перемещения провода в электромагнитном поле.

На основании того, как ведут себя проводники в электрическом поле, разработано и внедрено в производство множество самых разнообразных электротехнических механизмов и агрегатов. Типичными представителями таких устройств являются:

  • Электродвигатели и генераторы;
  • Измерительные приборы;
  • Специальные коммутирующие и защитные аппараты.

К этому перечню можно добавить приборы управления и сигнализации, а также множество других электротехнических устройств.

Диэлектрики

Большой практический интерес представляют материалы, обладающие противоположными по отношению к проводникам свойствами. Они называются диэлектриками и очень слабо реагируют на приложенное напряжение, не приводящее к появлению массового перемещения электронов.

При исследовании взаимодействия диэлектриков с электрическими полями обнаружено, что последние создают в них статическое распределение потенциалов. Это явление получило название поляризации зарядов, при которой носители тока (электроны) скапливаются в одной из точек приложения напряжения.

Статическое распределение зарядов

На противоположном конце диэлектрика из-за недостатка электронов появляется обратный потенциал, вследствие чего материал поляризуется и приобретает ряд интересных свойств. С практической точки зрения этот эффект позволяет создавать структуры, в которых можно реализовать принцип перезарядки с приложением переменного поля.

Это явление лежит в основе работы емкостных элементов (конденсаторов), входящих в состав любого электронного изделия.

В заключении отметим, что основные свойства электрического поля позволяют оценивать его проявления по взаимодействию с помещёнными в него проводящими материалами. На этом принципе основано большинство известных методов измерения электрических величин, а также способов преобразования и передачи энергии.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/ehlektricheskoe-pole-ehto.html

III. Основы электродинамики

Рассмотрим ситуацию: заряд q0 попадает в электростатическое поле. Это электростатическое поле тоже создается каким-то заряженным телом или системой тел, но нас это не интересует. На заряд q0 со стороны поля действует сила, которая может совершать работу и перемещать этот заряд в поле.

Работа электростатического поля не зависит от траектории. Работа поля при перемещении заряда по замкнутой траектории равна нулю. По этой причине силы электростатического поля называются консервативными, а само поле называется потенциальным.

Разность потенциалов

Работа поля по перемещению заряда из одной точки в другую, называется разностью потенциалов

Эту формулу можно представить в ином виде

Эквипотенциальная поверхность (линия) — поверхность равного потенциала. Работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.

Напряжение

Разность потенциалов называют еще электрическим напряжением при условии, что сторонние силы не действуют или их действием можно пренебречь.

Напряжение между двумя точками в однородном электрическом поле, расположенными по одной линии напряженности, равно произведению модуля вектора напряженности поля на расстояние между этими точками.

От величины напряжения зависит ток в цепи и энергия заряженной частицы.

Принцип суперпозиции

Потенциал поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической (с учетом знака потенциала) сумме потенциалов полей каждого поля в отдельности

Как определить знак потенциала

При решении задач возникает много путаницы при определении знака потенциала, разности потенциалов, работы.

На рисунке изображены линии напряженности. В какой точке поля потенциал больше?

Верный ответ — точка 1. Вспомним, что линии напряженности начинаются на положительном заряде, а значит положительный заряд находится слева, следовательно максимальным потенциалом обладает крайняя левая точка.

Если происходит исследование поля, которое создается отрицательным зарядом, то потенциал поля вблизи заряда имеет отрицательное значение, в этом легко убедиться, если в формулу подставить заряд со знаком «минус». Чем дальше от отрицательного заряда, тем потенциал поля больше.

Если происходит перемещение положительного заряда вдоль линий напряженности, то разность потенциалов и работа являются положительными. Если вдоль линий напряженности происходит перемещение отрицательного заряда, то разность потенциалов имеет знак «+», работа имеет знак «-«.

Порассуждайте самостоятельно отрицательные или положительные значения будут принимать работа и разность потенциалов, если заряд перемещать в обратном направлении относительно линий напряженности.

Зависимость напряженности и потенциала от расстояния

Потенциал поля, созданного равномерно заряженной сферой радиусом R и зарядом q на расстоянии r от центра сферы, равен

Напряжение в природе

Напряжение в клетках сетчатки глаза при попадания в них света около 0,01 В. Напряжение в телефонных сетях может достигать 60 В.

Электрический угорь способен создавать напряжение до 650 В.

Энергия взаимодействия зарядов*

Из определения потенциала следует, что потенциальная энергия электростатического взаимодействия двух зарядов q1 и q2, находящихся на расстоянии r друг от друга, численно равна работе, которая совершается при перемещении точечного заряда q2 из бесконечности в данную точку поля, созданного зарядом q1

Аналогично Тогда энергия взаимодействия двух точечных зарядов

ЭТО ИНТЕРЕСНО:  Что называется активным и индуктивным сопротивлениями

Энергия взаимодействия n зарядов

Источник: http://fizmat.by/kursy/jelektrichestvo/potencial

Изучение характеристик электростатического поля (стр. 1 из 5)

Федеральное агентство связи

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики

Межрегиональный центр переподготовки специалистов

Лабораторная работа 3.1

Выполнил: __Ехлаков А.А__

Группа: _____СДТ-03______

Вариант:______14________

Проверил: __Грищенко И.В.

Лабораторная работа 1 не зачтена. Исправьте работу в соответствии со сделанными замечаниями и пришлите исправления в этом же файле. Замечания не стирайте.

Новосибирск, 2010 г.

1. Цель работы

2. Основные теоретические сведения.

3. Описание лабораторной установки.

4. Задание.

5. Контрольные вопросы.

6. Литература.

1.Цель работы.

Исследовать электростатическое поле, графически изобразить сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для некоторых конфигураций поля.

2. Основные теоретические сведения.

Любое заряженное тело создает в пространстве вокруг себя электромагнитное поле и взаимодействует с внешним электромагнитным полем. Поле, создаваемое неподвижными зарядами, называется электростатическим. Существуют положительные и отрицательные заряды.

Одноимённые заряды отталкиваются. Разноимённые заряды притягиваются.Рис.1 Заряженные элементарные частицы –электрон(отрицательный заряд)и протон(положительный заряд),

. Силовые линии (линии напряжённости), касательные к которым, в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряжённости в этой точке. Силовые линии непрерывны и не пересекаются.

Поле двух точечных зарядов

Рис.1

Электростатическое поле в каждой точке пространства характеризуется двумя величинами: напряженностью и потенциалом. Силовая характеристика поля- напряженность- векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

Cила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна:

Энергетическая характеристика электрического поля- потенциал- скалярная величина, численно равная потенциальной энергии единичного точечного положительного заряда, помещенного в данную точку поля. Измеряется в вольтах: [1В= 1Дж/1Кл].

Потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной и может принимать положительные и отрицательные значения. Физический же смысл имеет величина- разность потенциалов.

Разность потенциалов связана с работой сил электрического поля по перемещению точечного заряда следующим образом:

j1 и j2- потенциалы начальной и конечной точек положения заряда q.

Закон Кулона. Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

, где ,

Если поле создаётся несколькими зарядами, то результирующая напряжённость в данной точке есть векторная сумма напряжённостей, созданных отдельными зарядами в той же точке.

Напряжённость и потенциал связаны между собой градиентом потенциала. Градиент потенциала показывает изменение потенциала вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности. Градиент потенциала направлен в сторону обратную направлению напряжённости поля.

Вектор напряжённости – это силовые линии поля. Поскольку работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю, то исходя из формул

можно показать, что в каждой точке вектор напряженности электрического поля перпендикулярен эквипотенциальной поверхности и направлен в сторону уменьшения потенциала. Т.е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

3. Описание лабораторной установки.

Установка Рис.2 представляет собой прямоугольную ванну с электролитом, в которую погружены два электрода. Электроды присоединены к источнику постоянного низковольтного напряжения. Один из электродов через вольтметр связан с подвижным зондом ( курсор ). Вольтметр показывает напряжение между отрицательно заряженным электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд.

4. Задание.

1.Получить графическое изображение электрического поля при различных положениях электродов. Начертить дважды сечение ванны (Два прямоугольника с размерами: по вертикали 16 делений и по горизонтали 20 делений), нанести координатную сетку, изобразить электроды. В первом случае электроды представляют собой два тонких кольца радиусом 1 см, во втором- отрицательно заряженная плоскость и положительно заряженное тонкое кольцо радиусом 1 см.

2. Установить зонд в какую-либо точку ванны. Вольтметр покажет напряжение между этой точкой и отрицательно заряженным электродом. Найти в ванне точку с показанием вольтметра 1В. Отметить ее на чертеже. Далее найти другую точку с таким же показанием вольтметра.

Это означает, что разность потенциалов между двумя найденными точками равна нулю, следовательно, они находятся на одной эквипотенциальной поверхности. Отметить вторую точку на чертеже. Найдите еще три точки с таким же показанием вольтметра. Соединить полученные точки линией. Это и есть эквипотенциальная линия.

Эквипотенциальные линии должны начинаться и кончаться вблизи краев ванны.

3. Повторить измерения по п.2 для 2В, 3В, , 9В. На чертеже получится изображение эквипотенциальных линий.

4. Проделать измерения по п.2 и п.3 для второй ванны.

5. На чертежах с изображением эквипотенциальных линий нанести силовые линии (по 5 силовых линий на каждую ванну).

6. В точках с координатами (4,8), (10,8) и (17,8) оценить величину напряженности электрического поля по формуле (11).

, где разность потенциалов между соседними эквипотенциальными линиями. кратчайшее расстояние между ними. Точка

Расстояние между точками по прямой силовой линии будет:

От т. А-В=3см=0,033

В-С=3,5см=0,035

А-С=6,5см=0,065

Найдём разность потенциалов точек А и В

Точек В и С

Точек А и С

Найдём напряжённость в точках- А, В, С.

Единицы измерения потенциала: Вольт, единицы измерения напряженности электрического поля: В/м.

Обратите внимание на то, как примерно должны выглядеть Ваши рисунки

Красным цветом показаны эквипотенциальные поверхности, лиловым – силовые линии. Силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Красная точка имеет координаты (4,8). Рассчитаем для нее напряженность поля.

Слева от нее находится эквипотенциальная линия с потенциалом 7 В, а справа – линия с потенциалом 6 В. Расстояние между ними составляет 2 см (на данном рисунке 1 клетка соответствует 2 см). Получаем по формуле (11) .

Таким же образом производим расчет для остальных случаев.

Работа над ошибками:

6. В точках с координатами (4,8), (10,8) и (17,8) оценить величину напряженности электрического поля по формуле (11).

, где разность потенциалов между соседними эквипотенциальными линиями. кратчайшее расстояние между ними.

1 условие.

Находим точку с координатами (4,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 7В справа 6В, расстояние между ними 2 см. 1 клетка 1см. тогда

Находим точку с координатами (10,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 6В справа 4В, расстояние между ними 11 см.

Тогда

Источник: https://mirznanii.com/a/323886/izuchenie-kharakteristik-elektrostaticheskogo-polya

Электрическое поле – FIZI4KA

ЕГЭ 2018 по физике ›

Электродинамика – раздел физики, изучающий свойства и взаимодействия электрических зарядов, осуществляемые посредством электромагнитного поля.

Электростатикой называется раздел электродинамики, в котором рассматриваются свойства и взаимодействия неподвижных электрически заряженных тел или частиц.

Электромагнитное взаимодействие – это взаимодействие между электрически заряженными частицами или макротелами.

Точечный заряд – заряженное тело, размер которого мал по сравнению с расстоянием, на котором оценивается его действие.

Электризация тел

Электризация – процесс сообщения телу электрического заряда, т. е. нарушение его электрической нейтральности. Процесс электризации представляет собой перенесение с одного тела на другое электронов или ионов. В результате электризации тело получает возможность участвовать в электромагнитном взаимодействии.

Способы электризации:

  • трением, – например, электризация эбонитовой палочки при трении о мех. При тесном соприкосновении двух тел часть электронов переходит с одного тела на другое; в результате этого на поверхности у одного из тел создается недостаток электронов и тело получает положительный заряд, а у другого – избыток, и тело заряжается отрицательно. Величины зарядов тел одинаковы;
  • через влияние (электростатическая индукция) – тело остается электрически нейтральным, электрические заряды внутри него перераспределяются так, что разные части тела приобретают разные по знаку заряды;
  • при соприкосновении заряженного и незаряженного тела – заряд при этом распределяется между этими телами пропорционально их размерам. Если размеры тел одинаковы, то заряд распределяется между ними поровну;
  • при ударе;
  • под действием излучения – под действием света с поверхности проводника могут вырываться электроны, при этом проводник приобретает положительный заряд.

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует.

Электрические заряды взаимодействуют:

  • заряды одного знака отталкиваются:
  • заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

Закон сохранения электрического заряда

Систему называют замкнутой (электрически изолированной), если в ней не происходит обмена зарядами с окружающей средой.

В любой замкнутой (электрически изолированной) системе сумма электрических зарядов остается постоянной при любых взаимодействиях внутри нее.

Полный электрический заряд ​\( (q) \)​ системы равен алгебраической сумме ее положительных и отрицательных зарядов ​\( (q_1, q_2 q_N) \)​:

Важно!
В природе не возникают и не исчезают заряды одного знака: положительный и отрицательный заряды могут взаимно нейтрализовать друг друга, если они равны по модулю.

Закон Кулона

Закон Кулона был открыт экспериментально: в опытах с использованием крутильных весов измерялись силы взаимодействия заряженных шаров.

Закон Кулона формулируется так:
сила взаимодействия ​\( F \)​ двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна их модулям ​\( q_1 \)​ и \( q_2 \) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ​\( r \)​:

Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/jelektricheskoe-pole.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Электрогенератор
Сколько будет 1 киловатт

Закрыть