Изучаем электрическое поле
Содержание
Человек ощущает окружающую его среду, используя основные органы. Однако существуют отдельные виды веществ, не поддающиеся ощущениям. Таким является электрическое поле. Определить его близость можно только с помощью специальных приборов. Но ученые детально изучили основные свойства электрического поля и научились эффективно применять их на практике.
Свойства электрического поля
Электрическое поле — это материя, которая порождается электрическим зарядом. Каждая элементарная частица с зарядом формирует в пространстве вокруг себя электрическое поле. При этом она не подвергается воздействию собственного поля, но на нее действуют поля, созданные другими, расположенными рядом частицами. В результате этого воздействия частицы могут притягиваться друг к другу или отталкиваться. Если электрическое поле создается неподвижными зарядами, оно называется статическим. Если же поле изменяется со временем, то его называют переменным.
Понятие электрического и магнитного поля было введено великим английским физиком М. Фарадеем. С помощью этого понятия удалось объяснить взаимодействие электрических зарядов. Согласно теории Фарадея, носители зарядов не действуют друг на друга непосредственно. Вокруг каждого из них образуется электрическое статическое поле, именно оно и взаимодействуют с полями других зарядов. Исходя из этого действия, устанавливают факт существования материи, названной электрическим полем.
Понять, что такое электрическое поле и дать ему определение, пытались такие великие ученые, как Хевисайд, Кулон, Ампер, Герц, Максвелл и многие другие. Благодаря их усилиям были выведены многочисленные законы, доказывающие материальность электрического поля. Установлено, что оно обладает такими свойствами:
- Существование электрического поля не зависит от наших представлений и знаний о нем.
- Существование ЭП невозможно без частицы или тела с зарядом, но частица или тело могут обходиться и без поля вокруг себя.
- ЭП взаимодействует с заряженными частицами или телами, помещенными в него.
- ЭП распространяется со скоростью 300 000 км/с, что соответствует скорости света.
В результате взаимодействия электрического поля и элементарных частиц образуется ещё одно поле — магнитное. Его обнаружить можно исключительно только возле тела с движущимся зарядом. В сочетании эти два поля создают электромагнитное поле.
Базовые характеристики
Сила, с которой два заряда взаимодействуют между собой, называется электрической силой. Ее величина вычисляется по закону Кулона.
При взаимодействии двух заряженных частиц образуется потенциальная энергия, которая описывается уравнением:
Один из зарядов можно рассматривать как источник электрического поля, а второй как индикатор существования такого поля в точке наблюдения, то есть, второй заряд играет роль пробного заряда.
Если в пространстве присутствует n-е количество точечных зарядов, тогда сила, с которой они действуют на пробный заряд, будет равняться сумме сил кулоновского взаимодействия.
Отношение этой суммарной силы к величине пробного заряда было названо напряженностью. Она является силовой характеристикой электрического поля. Ее вектор представляет собой функцию положения точки в пространстве и не зависит от величины пробного заряда.
Напряженность показывает, с какой силой поле действует на заряд, находящийся в нем. Вектор напряженности имеет то же направление, что и сила электростатического взаимодействия.
Еще одной характеристикой электрического поля является потенциал. Он выражается через потенциальную энергию единичного заряда, обусловленную его взаимодействием с другим зарядом. Иначе говоря, потенциал — это количество энергии, затрачиваемой полем на перемещение заряженной частицы из одной точки в другую.
Потенциал — это энергетическая характеристика. Если он порождается системой зарядов, то его величина вычисляется как алгебраическая сумма потенциалов отдельных зарядов. В этом заключается принцип суперпозиции электрических полей.
Разница между потенциалами двух точек поля называется напряжением. Численно оно равно работе, совершаемой электрическими силами при перемещении единичного заряда между рассматриваемыми точками.
Электрические поля, напряженность которых во всех точках одинаковая, называются однородными. Если на заряд действует однородное электрическое поле, то его основные характеристики связаны таким уравнением:
Напряжение характеризирует тот запас энергии, который может высвободиться, когда заряд перемещается из одной точки поля в другую. Оно измеряется в вольтах и используется в формулах, с помощью которых определяется работа и мощность электрического поля.
Все основные характеристики электрического поля взаимосвязаны. Определение каждой из них возможно, если известно значение других.
Носители зарядов всегда перемещаются из областей с наибольшим потенциалом туда, где его величина значительно меньше. Чтобы поддерживать ток, нужно постоянно поддерживать на концах проводника разницу потенциалов. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа и мощнее ток на участке. Разницу потенциалов поддерживает источник тока.
Как поле изображается
Рассматривая электрическое поле и его основные характеристики, мы выяснили, что о силе поля можно судить по напряженности, являющейся вектором. Но вектор имеет длину и направление. Поэтому поле точечного заряда можно изобразить с помощью векторов напряженности.
Присмотревшись к рисунку, можно увидеть, что векторы напряженности находятся на некоторых прямых. Они называются силовыми линиями или линиями напряженности.
Графическое изображение электрических полей с помощью силовых линий является довольно удобным способом. Например, поле одиночных зарядов изображается с помощью радиально расходящихся линий.
Поле двух взаимодействующих зарядов изображается изогнутыми линиями (дугами). Они начинаются на зарядах с положительным знаком, а заканчиваются на тех, у которых знак минус. Если поблизости отрицательный заряд не наблюдается, то линии уходят в бесконечность. Чем больше расстояние от заряда, тем больше расстояние между линиями. Чем дальше расположены линии друг от друга в некоторой зоне пространства, тем слабее поле в этой зоне.
Кривыми или радиально расходящимися линиями изображается неоднородное поле. Если поле однородное, то его силовые линии располагаются параллельно друг другу. Ведь напряженности такого поля в любой его точке имеет одинаковое направление и длину.
Методы обнаружения поля
Человеческие органы чувств не способны воспринимать электрическое поле. Поэтому узнать о его существовании на вкус или запах не представляется возможным. Но обнаружить электрическое поле можно с помощью методов, основанных на использовании разнообразных приборов:
- Электрометрический метод. В этом случае используются электрометры, оснащенные высокочувствительными датчиками, реагирующими на изменения поля. Прибор преобразует эти изменения в электрический сигнал и отображает его на дисплее.
- Вольтметрический способ основывается на измерении разности потенциалов между 2-мя точками пространства. Приборы, используемые для этого, называются вольтметрами.
- Электронно-лучевой способ. Определение электрического поля в этом случае осуществляется с помощью электронно-лучевых трубок, измеряющих отклонение электронного луча в ЭП.
- Метод искажений основывается на регистрации изменений ЭП, происходящих вокруг его источника. На этом методе построен принцип работы таких приборов, как металлодетекторы.
Используя методы обнаружения, можно решать разнообразные задачи, начиная от таких простых, как измерение напряжения, и заканчивая поиском подземных коммуникаций. При выборе метода и прибора следует учитывать конкретные условия проведения измерений.
Загрузка...
