Электрическое поле и его действие на электрические заряды
Содержание
Электрическое поле (ЭП) возникает вокруг заряженных тел. Его действие проявляется через их взаимовлияние на другие заряженные или незаряженные тела. Единица измерения электрического поля — вольт на метр (В/м). ЭП охватывает все зоны пространства, где может проявляться действие тел с зарядом. Электрическое поле может быть создано также изменяющимся магнитным полем.
Свойства заряженных частиц и тел
Электрическим зарядом называют физическую характеристику частиц и объектов, которая определяет их способность взаимодействовать с электромагнитными полями. Частицы с зарядом делят на положительные и отрицательные.
Электрический ток — это движение частиц с зарядом в заданном направлении в проводнике или цепи. По мере течения тока, энергия переносится от источника к приемнику, что позволяет использовать электричество в различных сложных устройствах.
За единицу измерения заряда принят кулон (Кл). В естественной среде нельзя встретить заряд, равный одному кулону. Подобная сила воздействия очень большая и для достижения такого значения у объекта должна быть очень большая масса. Но существует заряд с минимально возможным значением – это 1.6 · 10–19 Кл. Его называют элементарным.
Основные свойства заряда:
- Величина никак не зависит от скорости перемещения частицы или тела.
- Свободно передается между объектами.
- Всегда взаимодействует с другими электрозарядами.
Заряд переносится элементарными частицами — протонами и электронами. Нейтрон, который также относится к этой категории частиц, является нейтральным. Взаимодействие объектов осуществляется через силы, действующие по прямой и соединяющие их центры.
Взаимодействие поля с зарядами
Электрический заряд и созданное им электрическое поле — это две связанные величины. Частица с зарядом любой величины при помещении в свободное пространство начинает генерировать вокруг себя поле. Если она никуда не перемещается, поле называют статическим. Сила, действующая между отдельными частицами с зарядом, определяется с помощью закона Кулона.
Действие электрического поля на электрические заряды напрямую зависит от их полярности. При одинаковой полярности частицы будут отталкиваться, а при разной притягиваться. Поле действует на заряд даже в состоянии покоя, в вакууме или воздушной среде. Если расстояние между частицами начинает увеличиваться, сила действия их полей постепенно уменьшается, пока не достигнет нуля.
Параметр, характеризирующий силу ЭП, называют напряженностью. Она является векторной величиной. За ее направление принимают направление силы, оказывающей действие на частицу с единичным плюсовым зарядом. Для определения данного параметра используется довольно простая формула:
Законы электростатики
Фундаментальным законом электростатики считается закон сохранения заряда.
Расчет силы, действующей между точечными подвижными зарядами, осуществляется по закону Кулона. При определении силы, с которой будут действовать друг на друга в электрическом поле неподвижные частицы, пользуются третьим законом Ньютона.
Взаимодействие электрозарядов подчиняется принципу суперпозиции. Поэтому результирующая сила, действующая на объект, который создает ЭП и взаимодействует с другими заряженными объектами, выражается векторной суммой сил, действующих на данный объект со стороны других объектов.
Примеры использования электрического поля
На взаимовлиянии заряженных и незаряженных объектов основывается принцип функционирования электромеханических приборов и электроники. В кинескопах во время работы дефлектора создается электростатическое поле. При контакте с ним траектория луча электронов меняется, что приводит к формированию изображения на экране.
Электростатический фильтр в системах кондиционирования помещений также функционирует по схожим принципам. Воздух всегда содержит пыль и множество других частиц, проникновение которых в технику нежелательно. Фильтр представляет собой металлические пластины с натянутыми между ними металлическими нитями. Разность потенциалов приводит к созданию электрополя, при прохождении через которое частицы пыли и грязи электризуются и притягиваются к пластинам.
Самый простой пример использования электрополя — индикаторная отвертка с полевым транзистором. В нее встроен индикатор, который начинает светиться при обнаружении данной материи. Подсоединять отвертку к токопроводящей жиле для выполнения диагностики не нужно, так как силовое воздействие распространяется за пределы проводника.
В электронике самым простым примером использования энергии ЭП является конденсатор. Он представляет собой компонент электротехники, состоящий из двух электродов и диэлектрика. При подаче напряжения за счет разности потенциалов создается поле, способствующее накоплению электричества. В итоге даже после отключения тока конденсаторы остаются заряженными некоторое время. Благодаря этому свойству данные компоненты используют для поддержания стабильной работы различных микросхем.
Многие медицинские приборы тоже работают в соответствии с принципами электродинамики и электростатики. Например, электрокардиограф оценивает работу сердца путем регистрации электрополей, образующихся при сердцебиении.
Для перемещения некоторых устройств применяются электростатические приводы. Их принцип действия также заключается в создании электрического поля. При изменении разности потенциалов меняется направление движения устройства. Подобные приводы используются в микророботах и в прототипах искусственных мышц.
Загрузка...
