Основная характеристика электрического поля. Числовые характеристики степени поляризации. Радиоактивность и его виды

Электрическое поле – это одна из теоретических концепций, объясняющих явления взаимодействия меж заряженными телами. Субстанцию нельзя пощупать, но можно доказать существование, что и было сделано в ходе сотен натурных экспериментов.

Взаимодействие заряженных тел

Привыкли считать устаревшие теории утопией, между тем мужи науки вовсе не глупые. Сегодня смешно звучит учение Франклина об электрической жидкости, видный физик Эпинус посвятил целый трактат. Закон Кулона открыт экспериментально на основе крутильных весов, аналогичными методами пользовался Георг Ом при выводе известного . Но что лежит за всем этим?

Должны признаться, электрическое поле попросту является очередной теорией, не уступающей франклиновой жидкости. Сегодня известно о субстанции два факта:

Изложенные факты заложили базис современного представления о взаимодействиях в природе, выступают опорой теории близкодействия. Помимо нее учеными выдвигались другие предположения о сути наблюдаемого явления. Теория близкодействия подразумевает мгновенное распространение сил без участия эфира. Поскольку явления пощупать труднее, нежели электрическое поле, многие философы окрестили подобные взгляды идеалистическими. В нашей стране они успешно критиковались советской властью, поскольку, как известно, большевики недолюбливали Бога, клевали по каждому удобному случаю идею существования чего-либо, «зависимого от наших представлений и поступков» (попутно изучая сверхвозможности Джуны).

Франклин объяснял положительные, отрицательные заряды тел избытком, недостаточностью электрической жидкости.

Характеристики электрического поля

Электрическое поле описывается векторной величиной – напряженностью. Стрелка, направление которой совпадает с силой, действующей в точке на единичный положительный заряд, длина пропорциональна модулю силы. Физики находят удобным пользоваться потенциалом. Величина скалярная, проще представить на примере температуры: в каждой точке пространства некоторое значение. Под электрическим потенциалом понимают работу, совершаемую для перемещения единичного заряда из точки нулевого потенциала в данную точку.

Поле, описываемое указанным выше способом, называется безвихревым. Иногда именуют потенциальным. Функция потенциала электрического поля непрерывная, изменяется плавно по протяженности пространства. В результате выделим точки равного потенциала, складывающие поверхности. Для единичного заряда сфера: дальше объект, слабее поле (закон Кулона). Поверхности называют эквипотенциальными.

Для понимания уравнений Максвелла заимейте представление о нескольких характеристиках векторного поля:

• Градиентом электрического потенциала называется вектор, направление совпадает с наискорейшим ростом параметра поля. Значение тем больше, чем быстрее изменяется величина. Направлен градиент от меньшего значения потенциала к большему:

1. Градиент перпендикулярен эквипотенциальной поверхности.
2. Градиент тем больше, чем ближе расположение эквипотенциальных поверхностей, отличающихся друг от друга на заданную величину потенциала электрического поля.
3. Градиент потенциала, взятый с обратным знаком, является напряженностью электрического поля.

Электрический потенциал. Градиент «взбирается в гору»

• Дивергенция является скалярной величиной, вычисляемой для вектора напряженности электрического поля. Является аналогом градиента (для векторов), показывает скорость изменения величины. Необходимость во введении дополнительной характеристики: векторное поле лишено градиента. Следовательно, для описания требуется некий аналог – дивергенция. Параметр в математической записи схож с градиентом, обозначается греческой буквой набла, применяется для векторных величин.
• Ротор векторного поля именуется вихрем. Физически величина равна нулю при равномерном изменении параметра. Если ротор отличен от нуля, возникают замкнутые изгибы линий. У потенциальных полей точечных зарядов по определению вихрь отсутствует. Не обязательно линии напряжённости в этом случае прямолинейны. Просто изменяются плавно, не образуя вихрей. Поле с ненулевым ротором часто называют соленоидальным. Часто применяется синоним – вихревое.
• Полный поток вектора представлен интегралом по поверхности произведения напряженности электрического поля на элементарную площадь. Предел величины при стремлении емкости тела к нулю представляет собой дивергенцию поля. Понятие предела изучается старшими классами средней школы, ученик может составить некоторое представление на предмет обсуждения.

Уравнения Максвелла описывают изменяющееся во времени электрическое поле и показывают, что в таких случаях возникает волна. Принято считать, одна из формул указывает отсутствие в природе обособленных магнитных зарядов (полюсов). Иногда в литературе встретим особый оператор – лапласиан. Обозначается как квадрат набла, вычисляется для векторных величин, представляет дивергенцией градиента поля.

Пользуясь означенными величинами, математики и физики рассчитывают электрические и магнитные поля. Например, доказано: скалярный потенциал может быть только у безвихревого поля (точечных зарядов). Придуманы другие аксиомы. Вихревое поле ротора лишено дивергенции.

Подобные аксиомы легко положим в основу описания процессов, происходящих в реальных существующих устройствах. Антигравитационный, вечный двигатель были бы неплохим подспорьем экономике. Если реализовать на практике теорию Эйнштейна никому не удалось, наработки Николы Тесла исследуются энтузиастами. Отсутствуют ротор, дивергенция.

Краткая история развития электрического поля

За постановкой теории последовали многочисленные работы по применению электрического и электромагнитного полей на практике, самой известной из которых в России считают опыт Попова по передачи информации через эфир. Возник ряд вопросов. Стройная теория Максвелла бессильна объяснить явления, наблюдающихся при прохождении электромагнитных волн через ионизированные среды. Планк выдвинул предположение: лучистая энергия испускается дозированными порциями, названными впоследствии квантами. Дифракцию отдельных электронов, любезно демонстрируемую Ютуб в англоязычном варианте, открыли в 1949 году советские физики. Частица одновременно проявляла волновые свойства.

Это говорит нам: современные представление об электрическом поле постоянном и переменном, далеки совершенству. Многие знают Эйнштейна, бессильны объяснить, что отрыл физик. Теория относительности 1915 года связывает электрическое, магнитное поля и тяготение. Правда, формул в виде закона представлено не было. Сегодня известно: существуют частицы, движущееся быстрее, распространения света. Очередной камень в огород.

Системы единиц претерпевали постоянное изменение. Изначально введенная СГС, базирующаяся на наработках Гаусса, не удобна. Первые буквы обозначают базисные единицы: сантиметр, грамм, секунда. Электромагнитные величины добавлены к СГС в 1874 году Максвеллом и Томсоном. СССР в 1948 году страной стала использовать МКС (метр, килограмм, секунда). Конец баталиям положило введение в 60-х годах XX века системы СИ (ГОСТ 9867), где напряженности электрического поля измеряется в В/м.

Использование электрического поля

В конденсаторах происходит накопление электрического заряда. Следовательно, меж обкладками образуется поле. Поскольку емкость напрямую зависит от величины вектора напряженности, с целью повышения параметра пространство заполняется диэлектриком.

Косвенным образом электрические поля применяются кинескопами, люстрами Чижевского, потенциал сетки управляет движением лучей электронных ламп. Несмотря на отсутствие стройной теории, эффекты электрического поля лежат в основе многих изображений.

В пространстве вокруг заряженного тела существует электрическое поле (один из видов материи), обладающее запасом электрической энергии. Эта энергия проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные частицы (рис. 1.3.а).

Условно электрическое поле изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направление действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую бы двигалась в поле положительно заряженная частица.

Поле, созданное двумя плоскими разноимённо заряженными параллельными пластинами (рис. 1.3.а), называется однородным . Графически такое поле изображается параллельными прямыми линиями с одинаковым расстоянием между линиями.

Если по мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается, то это поле – неоднородное (рис. 1.3.б).

При взаимодействии электрических зарядов (электрически заряженных тел) между ними возникают электрические силы притяжения или отталкивания. Одноимённые заряды отталкиваются (рис. 1.4. б), разноимённые – притягиваются (рис. 1.4.а).

Параметры электрического поля:

1. Напряженность поля (Е) - характеризует интенсивность электрического поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический заряд q , принятый за единицу.

Поле с большой напряжённостью Е изображается силовыми линиями большой густоты, с малой напряжённостью – редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т.е. напряжённость поля уменьшается (рис. 1.5). Только в однородном электрическом поле значение напряжённости одно и то же в любой его точке.

Рисунок 1.5. Схема действия электрического поля на внесённый в него электрический заряд q

Под напряжённостью понимают отношение силы F , действующей на заряженное тело, к заряду q этого тела. E=F/q

Напряжённость в однородном поле – это отношение электрического напряжения, действующего между двумя точками поля, к расстоянию ℓ между этими точками. Е=U/ℓ

2 . Электрическое поле обладаетзапасом энергии, т.е. способностью совершать работу.

Например :

Сожмём пружину. Тем самым накопим запас энергии. Если затем освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело.

Точно так же энергия электрического тела реализуется, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определённую работу.

Электрический потенциал (φ) характеризует энергию, запасённую в каждой точке поля.

Рисунок 1.6. Разность потенциалов между точками А и Б электрического поля определяет работу, затраченную на перемещение заряда q между этими точками.

ℓ – расстояние между точками А и Б.

Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы заряда из этой точки за пределы поля (рис.1.6).

Например:

Для подъёма локомотива в точку Б (рис. 1.7) нужно затратить гораздо большую работу, чем для подъёма его в точку А .

За нулевой уровень (точку отсчёта высоты) обычно принимают уровень моря.

За нулевой потенциал в этом примере условно принят потенциал поверхности земли.

Рис. 1.7. Разность уровней в поле земного тяготения

3. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами.

На практике нас не интересуют абсолютные высоты Н 1 и Н 2 точек А иБ над уровнем моря, важнее знать разность уровней Н между этими точками, т.к. на подъём локомотива из точки А в точку Б надо затратить работу, зависящую от величины Н .

Разность потенциалов φ 1 иφ 2 двух точек поля характеризует собой работуW , затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда q из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом. Разность потенциалов φ 1 иφ 2 между двумя точками поля называется электрическим напряжением U .Единицы измерения:В - вольт, киловольт (тысячи вольт), милливольт (тысячная вольта), микровольт (миллионная вольта). U=W/q

Следовательно, напряжениеU , действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасённую в этом поле энергию, которая может быть отдана путём перемещения между этими точками электрических зарядов.

Контрольные вопросы

1. Что такое электрическое поле?

2. Что такое однородное поле?

3. Что такое неоднородное поле?

4. Как графически изображается электрическое однородное поле?

5. Как графически изображается электрическое неоднородное поле?

6. Что обозначают стрелки на силовых линиях поля?

7. Какие заряды притягиваются?

8. Какие заряды отталкиваются?

9. Дайте определение напряжённости электрического поля.

10. За нулевой потенциал условно принят …..

11. Дайте определение электрического потенциала.

12. Дайте определение электрического напряжения.

13. Назовите единицы измерения электрического напряжения.

14. Какое поле существует в пространстве вокруг заряженного тела?

15. В какую сторону принято направлять силовые линии электрических сил?

1.3. Электрический ток и его основные характеристики Электропроводность веществ

Свободные электроны находятся в состоянии беспорядочного движения (рис. 1.8.а). Если внести электрический проводник в электрическое поле, то свободные электроны под действием сил поля начнут перемещаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Поэтому электрическим током I в металлических проводниках называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц (электронов) (рис. 1.8.б).

Рисунок 1.8. Схема возникновения электрического тока в металлических проводниках:

а) беспорядочное движение электронов; б) упорядоченное движение электронов

Электрическое поле распространяется со скоростью 300000 км в секунду, с такой же скоростью проходит электрический ток, хотя электроны движутся со скорость несколько мм или см в секунду.

Единица измерения силы тока - ампер A : это такой ток, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит 1 кулон электричества.

При движении свободных электронов в проводнике они сталкиваются с ионами и атомами вещества, из которого сделан проводник, и передают им часть своей энергии, которая выделяется в виде тепла, нагревающего проводник.

Электроны, сталкиваясь с частицами проводника, преодолевают это сопротивление движению, т.е. проводники обладают электрическим сопротивлением.

Противодействие проводника прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением R. Единицы измерения -Ом . Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, по которому проходит ток 1 А при разности потенциалов на его концах (напряжении), равной 1 В.

Если сопротивление мало, проводник слабо нагревается током. Если сопротивление велико, проводник может раскалиться.

Например:

Провода, проводящие электрический ток к электрической плитке, почти не нагреваются, т.к. их сопротивление мало. Спираль плитки, обладающая большим сопротивлением, раскаляется докрасна. Ещё сильнее накаляется нить электрической лампы.

Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью G . Электропроводность– величина обратная сопротивлению. Единица измерения – сименс (См). G=1/R (См).

Электропроводность веществ зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. Чем больше концентрация этих частиц, тем больше электропроводность данного вещества.

Все вещества в зависимости от электропроводимости условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики .

Проводники обладают очень высокой электропроводностью. Существует два рода проводников, которые различаются физической природой протекания электрического тока.

· Это металлы – ток в них обусловлен движением свободных электронов (электронная проводимость);

· и электролиты (растворы кислот, щелочей и солей) – прохождение тока в них связано с движением электрически заряженных частей молекул – положительных и отрицательных ионов (ионная проводимость).

Полупроводники – имеют мало свободных электронов. В обычном состоянии плохо проводят ток. Но при определённых посторонних воздействиях электроны могут покидать атомы и становятся проводниками.

Диэлектрики (изоляторы) – не проводят электрический ток. В них электроны очень крепко связаны со своими атомами.

Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. О способности отдельных веществ проводить электрический ток судят по их удельному электрическому сопротивлению ρ. За величину, характеризующую удельное сопротивление ρ, принимается сопротивление куба с ребром 1м. [Ом/м]

Для суждения об электропроводности материала пользуются понятием удельная электрическая проводимость σ. Удельная проводимость (σ) – проводимость куба с ребром 1 м. Измеряется вСм/м. (σ)=1/(ρ) (См/м)

Сопротивление прямолинейного проводника (шины, ленты) зависит не только от материала проводника, но и его длины и площади поперечного сечения . (Электрическое сопротивление подобно сопротивлению, оказываемому движению воды в трубе, которое зависит от площади сечения трубы и её длины). R= ρ∙l/s(Ом); ρ [Ом∙м/мм 2 ]

Электропроводность всех материалов зависит от их температуры . В металлических проводниках при нагревании размах и скорость колебаний атомов в кристаллической решётке металла увеличивается, отчего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов. При охлаждении происходит обратное явление: беспорядочное колебание атомов уменьшается, сопротивление их потоку электронов понижается и электропроводность проводника возрастает.

Однако, у таких сплавов, как фехраль, нихром, константан, менганин и др. в определённом интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало. Эти сплавы применяют для изготовления резисторов, используемых в электроизмерительных приборах и некоторых аппаратах для компенсации влияния температуры на их работу.

Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость и. следовательно, он лучше проводит ток.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение электрического тока.

2. В каких единицах измеряется электрический ток?

3. Какие виды токов Вы знаете?

4. Дайте определение пульсирующего тока.

5. Какой ток называется импульсным?

6. Единицей электрического заряда принято считать …..

7. Удельная проводимость – это …..

8. Что такое сопротивление электрического тока?

9. Какие носители электричества создают в веществе, помещенном в электрическое поле, процесс движения?

10. Какой ток называется переменным?

11. Как условно делятся вещества в зависимости от электропроводности

12. Сопротивление куба с ребром 1м называется …..

13. Способность материала проводить электрический ток, называется …..

14. Как температура проводника влияет на его электропроводность?

15. Назовите единицы измерения электропроводности?

16. От чего зависит электропроводность вещества?

17. Дайте определение, что такое проводник.

18. Дайте определение, что такое диэлектрик.

19. Дайте определение, что такое полупроводник.

20. Дайте определение постоянного тока.

21. Назовите единицы измерения сопротивления.

22. Дайте определение удельной проводимости.

23. Дайте определение удельного сопротивления.

24. Назовите факторы, влияющие на сопротивление линейного проводника.

Электрическая цепь.

Свойства:

Постоянный электрический ток. Условия необходимые для существования постоянного электрического тока

Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил. За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц. Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

Закон Ома для участка цепи и для полной цепи.

Закон Ома для однородного участка цепи . Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении. I = U/R где, U- напряжение на участке,R – сопротивление участка.

Закон Ома для полной цепи . Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи. I=ε/R+r , где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи, r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи. .

Закон Ленца

Закон Ленца: Мощность тепла, выделяемого в единице объёма среды при протекании электрического тока, пропорциональна произведению плотности электрического тока на величину электрического поля другая формулировка:при прохождении электрического тока к проводнику в нем выделяется некоторое кол-во теплоты, которое прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока

Q=IUt Q=I(в квадрате) Rt Q=U(в квадрате)/Rt

Дисперсия света.

Экспериментально открыт Ньютоном около 1672 г.

Волновая природа света.

Дисперсия света - зависимость скорости света (и, следовательно, показателя преломления) от длины волны.

Интерференция света - перераспределение интенсивности света в результате наложения(суперпозиции) нескольких световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Квантовая гипотеза Планка. Квантовая природа света.

1) Гипо́теза Пла́нка - гипотеза, выдвинутая 14 декабря 1900 года Максом Планком и заключающаяся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональной частоте ν излучения:

где h или - коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка.

2) Квантовая природа света.

Есть короче фотоны, которые испускает порциями например солнце. В этих фотонах находятся кванты, т.е. электромагнитные волны определённой длины волны.

это совсем-совсем в общих чертах

Радиоактивность и его виды.

1. РАДИОАКТИВНОСТЬ (от лат. radio - излучаю и activus-действенный), самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер в др. ядра, сопровождающееся испусканием частиц, а также жесткого электромагн. излучения (рентгеновского или g-излучения). Ядра нового нуклида, к-рые образуются в результате радиоактивного распада исходного нуклида (радионуклида), м. б. стабильными или радиоактивными.

2. Виды радиоактивности.

α-Распад представляет собой излучение а-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд - на 2 единицы.

β-Распад - излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.

γ-Излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты.

Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

2) Ядерный реактор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор в мире, «Чикагскую поленницу-1», запустили под трибунами университетского стадиона в 1942 году.

Электрическое поле, его характеристики. Основные свойства электрического поля.

Электрическое поле – это особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Электрическое поле можно измерить. В качестве количественного показателя вводится такое понятие, как напряжённость электрического поля – это его силовая характеристика. Суть этой характеристики в том, что поле действует на любой заряд внутри его с некоторой определённой силой, а, следовательно, эту силу можно измерить и определить интенсивность её воздействия.

Где F- сила, E – энергия, а q- величина заряда.

Свойства:

Электрическое поле материально, т.е. существует независимо от наших знаний о нем.

Порождается электрическим зарядом: вокруг любого заряженного тела существует электрическое поле.

Поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим.

Электрическое поле может быть создано и переменным магнитным полем. Такое электрическое поле называется вихревым.

Обнаружить электрическое поле можно по действию его на электрические заряды с некоторой силой.

Электрическое поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Таким образом, если один из взаимодействующих зарядов переместить в другую точку пространства, то второй заряд почувствует изменение положения первого заряда не мгновенно, а спустя некоторый промежуток времени , где с - скорость света в вакууме, l - расстояние между зарядами.

Электрический заряд, помещенный в некоторую точку пространства, изменяет свойства данного пространства. То есть заряд порождает вокруг себя электрическое поле. Электростатическое поле – особый вид материи.

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).

Потенциал - энергетическая характеристика электрического поля.

Свойства и характеристики электрического поля изучают почти все технические специалисты. Но университетский курс часто бывает написан сложным и непонятным языком. Поэтому в рамках статьи доступно будут описаны характеристики электрических полей, чтобы в них мог разобраться каждый человек. Кроме этого, отдельное внимание мы уделим взаимосвязанным понятиям (суперпозиция) и возможностям развития данной сферы физики.

Общая информация

Согласно современным представлениям, между собой не взаимодействуют непосредственно. Из этого вытекает интересная особенность. Так, каждое заряженное тело имеет своё электрическое поле в окружающем пространстве. Оно оказывает влияние на другие субъекты. Характеристики электрических полей представляют для нас тот интерес, что они показывают воздействие поля на электрические заряды и силу, с которой оно осуществляется. Какой из этого можно сделать вывод? Заряженные тела не оказывают взаимного непосредственного воздействия. Для этого используются электрические поля. Как их можно исследовать? Для этого можно воспользоваться пробным зарядом - небольшим точечным пучком частиц, что не окажет заметного влияния на сложившуюся структуру. Так какие величины являются характеристиками электрического поля? Всего их три: напряженность, напряжение и потенциал. Каждая из них имеет свои особенности и сферы влияния на частицы.

Электрическое поле: что это такое?

Но прежде чем переходить к основному предмету статьи, необходимо иметь определённый багаж знаний. Если они есть, то эту часть можно уверенно пропустить. Первоначально давайте рассмотрим вопрос причины существования электрического поля. Для того чтобы оно было, необходим заряд. Причем свойства пространства, в котором пребывает заряженное тело, должно отличаться от тех, где его нет. Здесь есть такая особенность: если в определённую систему координат поместить заряд, то изменения произойдут не мгновенно, а только с определённой скоростью. Они будут, подобно волнам, распространяться в пространстве. Это будет сопровождаться появлением механических сил, что действуют на другие носители в этой системе координат. И тут мы подходим к главному! Возникающие силы являются результатом не непосредственного влияния, а взаимодействия через среду, которая качественно изменилась. Пространство, в котором и происходят подобные изменения, и называется электрическим полем.

Особенности

Заряд, расположенный в электрическом поле, двигается в направлении силы, что действует на него. Является ли возможным достижение состояния покоя? Да, это вполне реально. Но для этого силу электрического поля должно уравновешивать какое-то иное влияние. Как только происходит нарушение равновесия, заряд снова начинает двигаться. Направление в данном случае будет зависеть от большей силы. Хотя если их много - конечный результат будет чем-то сбалансированным и универсальным. Чтобы лучше представлять, с чем приходится работать, изображают силовые линии. Их направления соответствуют действующим силам. Следует отметить, что силовые линии обладают и началом, и концом. Иными словами, они не замыкаются на себе. Начинаются они на положительно заряженных телах, а заканчиваются на отрицательных. Это не всё, более детально о силовых линиях, их теоретической подоплеке и практической реализации мы поговорим немного дальше по тексту и рассмотрим их вместе с законом Кулона.

Напряженность электрического поля

Эта характеристика используется для того, чтобы количественно определить электрическое поле. Это довольно сложно для понимания. Эта характеристика электрического поля (напряженность) является физической величиной, равной отношению силы действия на положительный пробный заряд, что размещен в определённой точке пространства, к его величине. Тут есть один особенный аспект. Эта является векторной. Её направление совпадает с направлением силы, которая действует на положительный пробный заряд. Также следует ответить на один весьма распространённый вопрос и отметить, что силовой характеристикой электрического поля является именно напряженность. А что происходит с неподвижными и не меняющимися субъектами? Их электрическое поле считается электростатическим. При работе с точечным зарядом и исследовании напряженности интерес предоставляют силовые линии и закон Кулона. Какие особенности здесь существуют?

и силовые линии

Силовая характеристика электрического поля в этом случае работает только для точечного заряда, что находится на расстоянии определённого радиуса от него. А если взять это значение по модулю, то у нас будет кулоновское поле. В нём направление вектора напрямую зависит от знака заряда. Так, если он является плюсовым, то поле будет «передвигаться» по радиусу. В противоположной ситуации вектор будет направлен непосредственно к самому заряду. Для наглядного понимания того, что и как происходит, можно найти и ознакомиться с рисунками, где изображены силовые линии. Основные характеристики электрического поля в учебниках хотя и довольно сложно объясняются, но рисунки, следует им отдать должное, в них качественные. Правда следует отметить такую особенность книг: при построении рисунков силовых линий их густота является пропорциональной модулю вектора напряженности. Эта небольшая подсказка, которая может оказать очень существенную помощь при контроле знаний или экзамене.

Потенциал

Заряд всегда движется, когда нет уравновешивания сил. Это говорит нам о том, что в таком случае электрическое поле обладает потенциальной энергией. Иными словами - оно может совершать какую-то работу. Давайте рассмотрим небольшой пример. Электрическое поле переместило заряд из точки А в Б. Как результат, наблюдается уменьшение потенциальной энергии поля. Это происходит из-за того, что была совершена работа. Эта силовая характеристика электрического поля не изменится, если перемещение было совершено под сторонним влиянием. В таком случае будет не уменьшаться, а увеличиваться. Причем данная физическая характеристика электрического поля изменится прямо пропорционально приложенной сторонней силе, что переместила заряд в электрическом поле. Следует отметить, что в этом случае вся совершаемая работа будет израсходована на увеличение потенциальной энергии. Для понимания темы давайте разберём следующий пример. Итак, у нас есть положительный заряд. Он расположен за пределами электрического поля, что рассматривается. Благодаря этому воздействие настолько мало, что его можно проигнорировать. Возникает сторонняя сила, что вносит заряд в электрическое поле. Ею же совершается работа, необходимая для перемещения. При этом преодолеваются силы поля. Таким образом, возникает но уже в самом электрическом поле. Следует отметить, что это может быть неоднородный показатель. Так, энергия, что относится к каждой конкретной единице положительного заряда, называется потенциалом поля в этой точке. Он численно равен работе, которая была совершена сторонней силой для перемещения субъекта к данному месту. Потенциал поля измеряют в вольтах.

Напряжение

В любом электрическом поле можно наблюдать, как положительные заряды «мигрируют» от точек с высоким потенциалом к тем, что имеют низкие показатели данного параметра. Отрицательные следуют по этому пути в обратном направлении. Но в обоих случаях это происходит только благодаря наличию потенциальной энергии. Из неё высчитывается напряжение. Для этого необходимо знать величину, на которую стала меньшей потенциальная энергия поля. Напряжение же численно равно работе, которая была совершена для переноса положительного заряда между двумя конкретными точками. Из этого можно заметить интересное соответствие. Так, напряжение и разность потенциалов в данном случае являются одной и той же физической сущностью.

Суперпозиция электрических полей

Итак, нами были рассмотрены основные характеристики электрического поля. Но чтобы лучше разбираться в теме, предлагаем дополнительно рассмотреть ещё ряд параметров, которые могут иметь важность. И начнём мы с суперпозиции электрических полей. Ранее нами рассматривались ситуации, по условию которых был только один определённый заряд. Но ведь в полях их огромное количество! Поэтому, рассматривая приближенную к реальности ситуацию, давайте представим, что у нас есть несколько зарядов. Тогда выходит, что на пробный субъект будут действовать силы, которые подчиняются правилу Также говорит о том, что сложное движение поддаётся разделению на два или большее количество простых. Разрабатывать реалистическую модель движения невозможно без учета суперпозиции. Иными словами, на рассматриваемую нами частицу в существующих условиях влияют различные заряды, каждый из которых имеет своё электрическое поле.

Использование

Следует отметить, что сейчас возможности электрического поля используются не на полную силу. Даже, правильней сказать, его потенциал нами почти не применяется. В качестве практической реализации возможностей электрического поля можно привести люстру Чижевского. Ранее, в середине прошлого столетия, человечество начало осваивать космос. Но перед учеными стояло много нерешенных вопросов. Один из них - это воздух и вредоносные его компоненты. За решение этой проблемы взялся советский ученый Чижевский, которого одновременно интересовала энергетическая характеристика электрического поля. И следует отметить, что у него получилось действительно хорошая разработка. В основу этого прибора была положена техника создания аэроионных потоков воздуха благодаря небольшим разрядам. Но в рамках статьи нас интересует не столько само устройство, как принцип его работы. Дело в том, что для функционирования люстры Чижевского использовался не стационарный источник питания, а именно электрическое поле! Для концентрации энергии использовались специальные конденсаторы. Значительно на успешность работы прибора влияла энергетическая характеристика электрического поля окружающей обстановки. То есть это устройство разрабатывалось специально для космических кораблей, которые буквально напичканы электроникой. Питалось же оно от результатов деятельности других приборов, подключенных к постоянным источникам питания. Следует отметить, что направление не было заброшено, и возможность брать энергию от электрического поля исследуется и сейчас. Правда, необходимо отметить, что значительных успехов пока что достичь не удалось. Также необходимо отметить и относительно небольшую масштабность проводимых исследований, и то, что большую часть их при этом выполняют изобретатели-добровольцы.

На что влияют характеристики электрических полей?

Зачем необходимо их изучать? Как уже говорилось ранее, характеристиками электрического поля являются напряженность, напряжение и потенциал. В жизни обычного рядового человека эти параметры не могут похвастаться значительным влиянием. Но когда возникают вопросы о том, что следует сделать что-то крупное и сложное, то не учитывать их - непозволительная роскошь. Дело в том, что излишнее количество электронных полей (или их чрезмерная сила) приводит к тому, что возникают помехи при передаче сигналов техникой. Это ведёт к искажению передаваемой информации. Следует отметить, что это не единственная проблема данного типа. Кроме белых шумов техники, излишне сильные электронные поля могут негативно влиять и на работу человеческого организма. Следует отметить, что небольшая ионизация помещения всё же считается благом, поскольку способствует оседанию пыли на поверхностях человеческого жилища. Но если посмотреть, сколько всевозможной техники (холодильники, телевизоры, бойлеры, телефоны, системы электроэнергии и так далее) есть в наших домах, то можно сделать вывод, что это, увы, не полезно для нашего здоровья. Следует отметить, что невысокие характеристики электрических полей нам почти не вредят, поскольку к космическому излучению человечество уже давно привыкло. Но вот относительно электроники так сложно сказать. Конечно, отказаться от всего этого не получится, но можно успешно минимизировать негативное влияние электрических полей на человеческий организм. Для этого, кстати, достаточно применять принципы энергетически эффективного использования техники, которые предусматривают минимизацию времени работы механизмов.

Заключение

Мы рассмотрели, какая физическая величина является характеристикой электрического поля, где что используется, каков потенциал разработок и применение их в повседневной жизни. Но всё же хочется добавить немного заключительных слов о рассмотренной теме. Следует отметить, что ими интересовалось достаточно большое количество людей. Один из наиболее заметных следов в истории оставил известный сербский изобретатель Николай Тесла. Ему в этом удалось достичь немалых успехов относительно реализации задуманного, но, увы, не в плане энергетической эффективности. Поэтому, если есть желание поработать в этом направлении - неоткрытых возможностей очень много.