Какие свойства электростатического поля
Электростатическое поле и его характеристики
Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле. Электростатическое поле – особый вид материи.
Электростатическое поле существующий вокруг неподвижный заряженных тел, действует на заряд с некоторой силой, вблизи заряда – сильнее.
Электростатическое поле не изменяется во времени.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность
Напряженностью электрического поля в данной точке называется векторная физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.
За единицу измерения напряженности электрического поля в СИ принимают
Если на пробный заряд, действуют силы со стороны нескольких зарядов, то эти силы по принципу суперпозиции сил независимы, и результирующая этих сил равна векторной сумме сил. Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
или
Электрическое поле удобно представлять графически с помощью силовых линий.
Силовыми линиями (линиями напряженности электрического поля) называют линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора напряженности в данной точке.
Силовые линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на
отрицательном (Силовые линии электростатических полей точечных зарядов.).
Густота линий напряженности характеризует напряженность поля (чем
плотнее располагаются линии, тем поле сильнее).
Электростатическое поле точечного заряда неоднородно (ближе к заряду поле сильнее).
Силовые линии электростатических полей бесконечных равномерно заряженных плоскостей.
Электростатическое поле бесконечных равномерно заряженных плоскостей однородно. Электрическое поле, напряженность во всех точках которого одинакова, называется однородным.
Силовые линии электростатических полей двух точечных зарядов.
Потенциал – энергетическая характеристика электрического поля.
Потенциал – скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии, которой облает электрический заряд в данной точке электрического поля, к величине этого заряда.
Потенциал показывает какой потенциальной энергией будет обладать единичный положительный заряд, помещенный в данную точку электрического поля. φ = W / q
где φ – потенциал в данной точке поля, W- потенциальная энергия заряда в данной точке поля.
За единицу измерения потенциала в системе СИ принимают [φ] = В (1В = 1Дж/Кл )
За единицу потенциала принимают потенциал в такой точке, для перемещения в которую из бесконечности электрического заряда 1 Кл, требуется совершить работу, равную 1 Дж.
Рассматривая электрическое поле, созданное системой зарядов, следует для определения потенциала поля использовать принцип суперпозиции:
Потенциал электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов электрических полей, создаваемых в данной точке пространства, каждым зарядом системы в отдельности:
Вектор напряженности в данной точке поля всегда направлен в область уменьшения потенциала.
Воображаемая поверхность, во всех точках которой потенциал принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью. При перемещении электрического заряда от точки к точке вдоль эквипотенциальной поверхности энергия его не меняется. Эквипотенциальных поверхностей для заданного электростатического поля может быть построено бесконечное множество.
Вектор напряженности в каждой точке поля всегда перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности, проведенной через данную точку поля.
Источник
Исследование взаимодействия заряженных легких алюминиевых гильз и электрических султанов.
Каким образом осуществляется взаимодействие зарядов?
Идея электрического поля была введена М. Фарадеем и теоретически обоснована Дж. Максвеллом.
Электрическое поле это вид материи посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.
Электрическое поле неподвижных зарядов не меняется со временем и называется электростатическим полем.
Свойства электрического поля:
- Порождается электрическим зарядом.
- Обнаруживается по действию на заряд.
- Действует на заряд с некоторой силой.
- Распространяется в пространстве с конечной скоростью с=3·108 м/с.
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина, равная отношению силы , действующей на пробный точечный заряд q, к этому заряду:
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора кулоновской силы.
Напряженность поля не зависит от значения пробного заряда q; определяется зарядами – источниками поля, является силовой характеристикой этого поля.
Единица в СИ – Н/Кл или В/м.
Поле, напряженность которого в любой точке одинакова (E = const), называют однородным.
Напряженность точечного электрического заряда в данной точке зависит от модуля заряда Q и от расстояния до этого заряда R.
Каждый электрический заряд создает в пространстве электрическое поле независимо от наличия других электрических зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей.
Электрические поля изображаются графически с помощью линий напряженности.
Неоднородное электрическое поле
Силовая линия (линия напряженности) электрического поля – линия, в каждой точке которой напряженность поля направлена по касательной. Силовые линии поля в электростатике начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Густота силовых линий пропорциональна модулю вектора напряженности.
Однородное электрическое поле
На электрический заряд помещенный в однородное электрическое поле действует кулоновская сила способная совершать работу по перемещению электрического заряда.
Работа электрического поля не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории равна нулю. Такие поля называются потенциальными. Для этих поле характерна незамкнутость линий напряженности.
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (разность потенциалов), скалярная физическая величина, выражаемая в вольтах (В); 1В = 1 Дж / 1 Кл.
Потенциал поля в данной точке, находящейся на расстоянии R от заряда Q:
Потенциал поля может быть как положительным, так и отрицательным. Следуя принципу суперпозиции полей, можно утверждать, что если в данной точке пространства известен потенциал поля, созданного отдельно каждым из N зарядов (тел), то потенциал суммарного поля равен алгебраической сумме потенциалов каждого из полей
На практике используют разность потенциалов:
В электрическом поле разность потенциалов между двумя любыми точками равна напряжению между этими точками.
Эквипотенциальная поверхность – поверхность, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.
На рисунке показаны эквипотенциальные поверхности точечных положительного и отрицательного зарядов и системы двух положительных зарядов.
Связь между напряженностью электрического поля и напряжением:
Опорный конспект:
Источник
ВВЕДЕНИЕ.
Лабораторный практикум является руководством по выполнению лабораторных работ по разделам «Электричество. Оптика». Первая часть работы содержит теоретическое описание основных тем курса, тесно связанных с содержанием лабораторных работ. Вторая часть практикума посвящена описанию методики эксперимента и порядку его выполнения.
В теоретическом введении по электростатике описываются основные характеристики и свойства электростатического поля.
В темах “Постоянный ток”, “Переменный ток” излагаются основные законы электрических цепей.
В теме “Электромагнетизм” описаны явление электромагнитной индукции и свойства магнитных материалов.
Теоретическое введение по оптике содержит описание волновых и квантовых свойств света.
В каждой теме указаны номера лабораторных работ, в которых она отражается, и даны вопросы для самоконтроля.
Описание лабораторных работ содержит схему лабораторной установки, методическое обоснование эксперимента и порядок его выполнения.
При подготовке к отчету по выполненному эксперименту студент должен изучить соответствующую тему теоретического введения, затем рассмотреть, как основные положения и законы отражены в обосновании методики эксперимента. Данные опытов, результаты расчетов, выводы записываются в рабочую тетрадь.
Тема 1.ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Теоретическое введение к лабораторной работе №21
Основные характеристики электростатического поля и его графическое изображение
Взаимодействие между заряженными телами осуществляется посредством электромагнитного поля.
Одним из видов электромагнитного поля является электростатическое поле – поле, создаваемое неподвижными зарядами.
Основными характеристиками электростатического поля являются напряжённость и потенциал.
Напряженность – силовая характеристика электростатического поля.
Напряженностью электростатического поля в данной точке называется физическая величина, равная отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда, помещенного в данную точку поля.
(1.1)
Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд в данной точке поля.
Если поле создается точечным зарядом , то величина (модуль) силы, действующей между зарядами и , определяется законом Кулона:
, откуда , (1.2)
где r – расстояние от заряда до данной точки, а E – модуль напряженности, – диэлектрическая проницаемость (в вакууме ).
В единицах СИ: , где .
Расчет дает значение .
Если электростатическое поле создается системой зарядов, то напряженность поля в точке равна векторной сумме напряженностей, созданных в этой точке каждым зарядом в отдельности (принцип суперпозиции).
(1.3)
При перемещении заряда из точки 1 в точку 2 (рис. 1.1) электрическое поле совершает работу. Если поле создано точечным зарядом , а перемещается точечный заряд , то работа с учетом формул (1.1) и (1.2) равна:
,(1.4)
где и – расстояния от начальной и конечной точек траектории до заряда . (Учтено, что .)
1 dr
2
Рис. 1.1
Из формулы (1.4) следует, что работа по перемещению заряда не зависит от траектории, а определяется лишь начальным и конечным положением заряда. Поле, обладающее таким свойством, называется потенциальным, а силы, действующие в этом поле, консервативными.
Если , то , т.е. работа по перемещению заряда по замкнутому контуру равна 0.
Работа в потенциальном поле равна убыли потенциальной энергии . Поэтому из формулы (1.4) следует, что потенциальная энергия равна:
с точностью до постоянной. (1.5)
Энергетической характеристикой каждой точки электростатического поля является потенциал.
Потенциал – физическая величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в данной точке поля к величине этого заряда.
. (1.6)
Из формул (1.5) и (1.6) следует, что в поле, созданном точечным зарядом , потенциал в точке на расстоянии от заряда равен:
. (1.7)
и работа равна:
. (1.8)
Потенциал – скалярная величина.
Знак потенциала совпадает со знаком заряда , создающего электростатическое поле. Если поле создается системой зарядов, то потенциал в данной точке равен алгебраической сумме потенциалов, созданных в этой точке каждым зарядом.
. (1.9)
Связь между напряженностью и потенциалом может быть найдена из следующих соображений. Работа по перемещению заряда вдоль оси x, на пути dx равна:
, где – проекция вектора на ось x (рис. 1.2). С другой стороны, работа может быть определена как .
Приравняв эти выражения, получим:
. (1.10)
q0 dx x
Рис. 1.2
Аналогичными рассуждениями можно найти проекции вектора на оси y и z.
Таким образом, вектор равен:
. (1.11)
Напряженность электрического поля равна градиенту потенциала, взятому со знаком минус, то есть вектор напряженности направлен в сторону уменьшения потенциала.
Графически электростатическое поле изображается с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.
Силовой линией (или линией напряженности) называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности в данной точке.
Силовые линии не пересекаются, так как в каждой точке вектор напряженности имеет единственное направление. Силовые линии проводятся с определенной густотой.
Условились полагать, что модуль в данной точке численно равен количеству силовых линий, проходящих через единицу площади, перпендикулярной силовым линиям, в окрестности данной точки.
Силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Эквипотенциальными поверхностями называются поверхности, все точки которых имеют одинаковый потенциал.
Условились эквипотенциальные поверхности проводить таким образом, чтобы разность потенциалов между соседними поверхностями была постоянной. Поэтому по густоте эквипотенциальных поверхностей можно судить о напряженности поля. Выясним каково взаимное расположение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.
q
Рис. 1.3
Из формулы (1.8) работа при перемещении точечного заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, с другой стороны, , где – угол между и (рис. 1.3).
Следовательно, и , т.е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
2. Интегральные характеристики векторных полей: поток и циркуляция
Для описания векторных полей, в частности электромагнитных, очень удобными являются понятия потока и циркуляции.
2.1. Поток вектора
Потоком вектора через поверхность S называется величина, равная интегралу от скалярного произведения векторов и (рис. 1.4).
Рис. 1.4
Вектор имеет модуль равный величине площади , а направление совпадает с направлением внешней нормали .
. (1.12)
Интеграл вычисляется по всей поверхности S. Если поверхность замкнутая, то интеграл берется по замкнутой поверхности, тогда
.
Поток вектора является алгебраической величиной: зависит не только от конфигурации поля, но и от выбора направления .
Для замкнутых поверхностей за положительное направление принимается внешняя нормаль, т.е. нормаль, направленная наружу области, охватываемой поверхностью.
Если , то : при и при , . Поток через поверхность S численно равен числу силовых линий, пересекающих эту поверхность.
Date: 2015-05-08; view: 4852; Нарушение авторских прав
Источник
Современные представления предполагают, что электрозаряды не действуют друг на друга непосредственным образом. Абсолютно любое заряженное тело создает вокруг себя ЭП, которое воздействует на окружающее этот объект пространство. Оно может появляться и создаться при прохождении через проводник электричества и оказывает силовое воздействие на все другие заряженные тела. Основное свойство как раз в этом и заключается. В этой статье будет подробно разобрано, какие свойства электрического поля есть и какова структура электрополя.
Что это такое
Электрическое поле — это особое векторная характеристика, которая действует на все обладающие электрозарядом частицы, находящиеся в ее радиусе действия. Это электрополе входит в состав электромагнитного, то есть для него характерно отсутствие визуальной составляющей. Это значит, что ЭП нельзя увидеть глазами и оно может быть зафиксировано только в результате воздействия за заряженные частицы.
Напряженность и потенциал ЭП
Важно! На последнее реагируют все заряженные электрочастицы и тела, обладающие другими (противоположными) полюсами.
Электрополе — особая форма состояния материи, которое проявляется в ускорении электрочастиц и определенных тел, которые обладают электро зарядом. К особенностям электрополя относятся:
- Оно действует только при наличии электро заряда;
- Оно не имеет определенных четких границ;
- ЭП обладает определенной величиной воздействия;
- Его определить только по результату его воздействия.
Принцип суперпозиции
Характеристика ЭП неразрывно связана с зарядами. Они находятся в определенной электрочастице или теле. Преобразование ЭП происходит в двух случаях:
- При появлении вокруг него электрозарядов;
- При перемещении волн электромагнитной природы, которые способствуют изменению электрополя.
Работа сил ЭП
Электрополе влияет на неподвижные относительно наблюдателя объекты в виде электро заряженных частиц или тел. В конечном итоге они получают силовое влияние. Пример воздействия ЭП можно наблюдать и в бытовой ситуации. Для этого достаточно создать электрозаряд достаточной мощности. Книги по теоретической физике предлагают для этого простейший эксперимент, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить электрополе вполне можно просто, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы или шерсть. На ее поверхности образуется заряд, который приводит к появлению электрополя. Как следствие ручка притягивает мелкие электрочастицы в виде волос или бумаги. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластмассовой расчески.
Манипуляции с магнитными свойствами ЭП на основе железной крошки
Также примером появления электрополя в быту является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя различные электрозаряды. При снятии такого предмета одежды с тела ЭП подвергается различным силам воздействия, которое приводит к образованию вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов, которые сделаны из синтетических материалов.
Сделал открытие и впервые подтвердил наличие электрополя Майкл Фарадей — английский физик и экспериментатор. Именно он внес в физику понятие «поля» и установил основы его концепции, его физическую реальность.
Важно! Фарадей ввел понятие ЭП при исследовании диамагнетизма и парамагнетизма, когда он обнаружил небольшое отталкивание специальным магнитом ряда веществ.
Напряженность электростатического поля
Свойства
Основные свойства ЭП:
- Источником самого ЭП являются заряженные частицы и переменные ЭП магнитного происхождения. ЭП неразрывно связано с магнетизмом. Источником поля электростатической природы являются неподвижные электростатические заряды;
- ЭП воздействует на внесенные в него электрозаряды с некоторой силой;
- Скорость распространения электрического поля равна конечность скорости света в вакууме, то есть константе C, которая равна 3 * 10 в 8 степени метров в секунду;
- Обнаружение электрополя происходит по его воздействию на другие электрически заряженные тела;
- ЭП подчиняются принципу суперпозиции, то есть наложения. Это означает, что в каждой точке, пространства, электрополя действуют, как будто других сил воздействия нет. В данной точке, их суммарное воздействие на пробный электрозаряд определяется как сумма воздействий действующих ЭП.
Виды
Различают несколько основных видов электрополей. Отличие зависит от того, где оно существует. Следует рассмотреть несколько примеров возникающих сил в различных ситуациях:
- Когда заряженные электрочастицы неподвижны. Это называется статическим ЭП;
- Когда заряженные электрочастицы находятся в движении по проводнику. Это называется магнитным полем, которое не следует отождествлять с электрическим;
- Стационарное ЭП возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
В радиоволнах есть ЭП и МП. Они расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение магнитного поля порождает возникновения электрополя с замкнутыми силовыми линиями.
Вихревые электромагнитные волны
Структура электрического поля
Для того чтобы понять структуру электрического вначале следует определить потенциал. Говоря просто, потенциал — это действие по переведению какого-либо тела или заряда из начального места в конкретный пункт размещения. Потенциал в сфере электрополя — это своеобразная энергия, которая двигает электрон. В результате движения он перемещается с точки так называемого нулевого потенциала в другую точку, имеющую ненулевой потенциал.
Чем выше потенциал, который потрачен на передвижение электрического заряда или тела, тем более значительной будет плотность потока на единице площади. Это явление сравнимо с законом гравитации: чем больше вес тела, тем выше энергия, действующая на него, а, значит, значительнее плотность гравитационной характеристики. В естественных условиях существуют заряды с незначительным потенциалом и с низкой степенью плотности, а также заряженные частицы и тела с высоким потенциалом и насыщенной плотностью потока. Такое явление, как работа по перемещению электрозаряда, наблюдается при грозе и молнии, когда в одном месте происходит истощение электронов, а в другом — их насыщение, образовывающее своеобразное электрически заряженное ЭП, когда происходит разряд в виде молнии.
Переменное МП
Как определить
Для количественного определения электрополя вводится значение силы напряженности электрического поля. Ею называют физическую величину, равную отношению силовых характеристик, с которыми ЭП воздействует на положительный пробный электрозаряд, находящийся в некоторой точке пространства, к величине этого заряда. Она равна E = F/q.
Течение жидкости под действием магнитных волн
Напряженность представляет собой векторную величина физического типа. Направление векторов силы в каждой точке конкретной области пространства соответствует направлением сил, воздействующих на положительный пробный заряд.
Формула напряженности поля между двумя зарядами
Электрополе неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это ЭП обозначают общим термином — электрическое поле
Если ЭП исследуется с помощью пробного заряда и создается сразу несколькими заряженными телами, то конечная силовая характеристика оказывается равной геометрической сумме сил, которые воздействуют на электрозаряд со стороны всех заряженных тел по отдельности. Следовательно, напряженность электрополя, которая создается набором зарядов в конкретной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей ЭП, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности: E = E1 + E2 + E3 +…
Напряженность точечного заряда
Таким образом, было определено, какими свойствами обладает электрическое поле и какова его структура. Все тела создают электрополя, если они заряжены. Понять, есть оно или нет нельзя визуальным путем. Для этого нужно подтвердить его воздействие на окружающие объекты.
Источник