Характеристики на електрическото поле

Статията описва основните характеристики на електрическото поле: потенциал, напрежение и интензивност.

Какво е електрическо поле

За да се създаде електрическо поле, е необходимо да се създаде електрически заряд. Свойствата на пространството около зарядите (заредени тела) се различават от свойствата на пространството, в което няма заряди. В същото време свойствата на пространството, когато в него се въведе електрически заряд, не се променят моментално: промяната започва от заряда и с определена скорост се разпространява от една точка в пространството в друга.

В пространство, съдържащо заряд, се проявяват механични сили, действащи върху други заряди, въведени в това пространство. Тези сили не са резултат от прякото действие на един заряд върху друг, а от действието чрез качествено променена среда.

Пространството около електрическите заряди, в което се проявяват силите, които действат върху въведените в него електрически заряди, се нарича електрическо поле..

Заряд в електрическо поле се движи по посока на силата, действаща върху него от страната на полето. Състоянието на покой на такъв заряд е възможно само когато към заряда се приложи някаква външна (външна) сила, която балансира силата на електрическото поле.

Веднага щом балансът между външната сила и силата на полето се наруши, зарядът започва да се движи отново. Посоката на неговото движение винаги съвпада с посоката на по -голямата сила.

За по-голяма яснота електрическото поле обикновено се представя с така наречените силови линии на електрическо поле. Тези линии съвпадат с посоката на силите, действащи в електрическото поле. В същото време беше договорено да се начертаят толкова много линии, че техният брой за всеки 1 см2 от площта, инсталирана перпендикулярно на линиите, беше пропорционален на силата на полето в съответната точка.

Посоката на полето обикновено се приема като посоката на силата на полето, действаща върху положителен заряд, поставен в дадено поле. Положителните такси се отблъскват от положителните и се привличат към отрицателните. Следователно, полето е насочено от положителни към отрицателни заряди.

Посоката на силовите линии е посочена на чертежите със стрелки. Науката е доказала, че силовите линии на електрическо поле имат начало и край, тоест не са затворени сами по себе си. Въз основа на приетата посока на полето установяваме, че силовите линии започват с положителни заряди (положително заредени тела) и завършват с отрицателни.

Ориз. 1. Примери за изображение на електрическо поле, използващо силови линии: а — електрическо поле с единичен положителен заряд, б — електрическо поле с единичен отрицателен заряд, в — електрическо поле от два противоположни заряда, d — електрическо поле от два като обвинения

На фиг. 1 показва примери за електрическо поле, изобразено с помощта на силови линии. Трябва да се помни, че силовите линии на електрическо поле са само начин за графично изобразяване на поле. Тук няма по -голямо съдържание в концепцията за линия на сила.

Законът на Кулон

Силата на взаимодействието на два заряда зависи от големината и взаимното подреждане на зарядите, както и от физическите свойства на тяхната среда.

За две електрифицирани физически тела, чиито размери са незначителни в сравнение с разстоянието между телата, изцелението на взаимодействието се определя математически, както следва:

където F е силата на взаимодействие на зарядите в нютони (N), к — разстояние между таксите в метри (м), Q1 и Q2 — величината на електрическите заряди в кулони (k), k е коефициентът на пропорционалност, чиято стойност зависи от свойствата на средата, заобикаляща зарядите.

Горната формула се чете така: силата на взаимодействие между два точкови заряда е правопропорционална на произведението на величините на тези заряди и е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях (законът на Кулон).

За да определите коефициента на пропорционалност k, използвайте израза k = 1 /(4πεεО).

Потенциал на електрическо поле

Електрическото поле винаги придава движение на заряда, ако силите на полето, действащи върху заряда, не са уравновесени от никакви външни сили. Това предполага, че електрическото поле има потенциална енергия, тоест способност да върши работа.

Премествайки заряд от една точка в пространството в друга, електрическото поле наистина работи, в резултат на което доставката на потенциална енергия на полето намалява. Ако зарядът се движи в електрическо поле под действието на някаква външна сила, действаща противоположно на силите на полето, тогава работата се извършва не от силите на електрическото поле, а от външни сили. В този случай потенциалната енергия на полето не само не намалява, а, напротив, се увеличава.

Работата, извършена от външна сила, движеща заряд в електрическо поле, е пропорционална на величината на силите на полето, противопоставящи се на това движение. Работата, извършена в този случай от външни сили, се изразходва изцяло за увеличаване на потенциалната енергия на полето. За да се характеризира полето от страната на неговата потенциална енергия, се нарича величина, наречена потенциал на електрическо поле.

Същността на това количество е следната. Да предположим, че положителният заряд е извън разглежданото електрическо поле. Това означава, че полето практически няма ефект върху дадения заряд. Нека външна сила въведе този заряд в електрическото поле и, преодолявайки съпротивлението на движение, упражнявано от силите на полето, премести заряда до дадена точка на полето. Работата, извършена от силата, а оттам и количеството, с което се е увеличила потенциалната енергия на полето, зависи изцяло от свойствата на полето. Следователно тази работа може да характеризира енергията на дадено електрическо поле.

Енергията на електрическо поле, отнасяща се до единица положителен заряд, поставена в дадена точка на полето, се нарича потенциал на полето в дадена точка.

Ако потенциалът е означен с буквата φ, зарядът — с буквата q и работата, изразходвана за преместване на заряда — W, тогава потенциалът на полето в дадена точка ще се изрази с формулата φ = W / q.

От казаното следва, че потенциалът на електрическото поле в дадена точка е числено равен на работата, извършена от външна сила, когато единица положителен заряд се движи извън полето към дадена точка. Потенциалът на полето се измерва във волта (V). Ако по време на прехвърлянето на един кулон електроенергия извън полето към дадена точка, външни сили са извършили работа, равна на един джаул, тогава потенциалът в дадена точка на полето е равен на един волт: 1 волт = 1 джаул / 1 кулон

Напрежение на електрическото поле

Във всяко електрическо поле положителните заряди се движат от точки с по -голям потенциал към точки с по -нисък потенциал. Напротив, отрицателните заряди се движат от точки с по -нисък потенциал към точки с по -голям потенциал. И в двата случая работата се извършва за сметка на потенциална енергия на електрическото поле.

Ако познаваме тази работа, тоест количеството, с което потенциалната енергия на полето е намаляло, когато положителният заряд q се премести от точка 1 на полето към точка 2, тогава е лесно да се намери напрежението между тези точки на поле U1,2:

U1,2 = A / q,

където А е работата на силите на полето, когато зарядът q се прехвърли от точка 1 в точка 2. Напрежението между две точки на електрическото поле е числено равно на работата, която нулата извършва, за да прехвърли единица положителен заряд от една точка на полето в друга.

Както се вижда, напрежението между две точки на полето и потенциалната разлика между същите точки представляват една и съща физическа единица… Следователно термините напрежение и потенциална разлика са едни и същи. Напрежението се измерва във волта (V).

Напрежението между две точки е равно на един волт, ако при прехвърляне на един кулон електроенергия от една точка на полето в друга, силите на полето извършват работа равна на един джаул: 1 волт = 1 джаул / 1 кулон

Силата на електрическото поле

От закона на Кулон следва, че силата на електрическото поле на даден заряд, действащ върху друг заряд, поставен в това поле, не е еднакъв във всички точки на полето. Електрическото поле във всяка точка може да се характеризира с величината на силата, с която действа върху единичен положителен заряд, поставен в дадена точка.

Познавайки тази стойност, може да се определи силата F, действаща върху всеки заряд Q. Можете да напишете, че F = Q x E, където F е силата, действаща от електрическото поле върху заряда Q, поставен в дадена точка на полето, E е силата, действаща върху единичен положителен заряд, поставен в същата точка на полето. Извиква се величината E, числено равна на силата, изпитвана от единичен положителен заряд в дадена точка на полето силата на електрическото поле.