Электрическое поле — как устроено, свойства, схемы и области применения

Частицу – носитель наименьшего электрического заряда (электрон) открыл в 1897 г. английский ученый Дж. Дж. Томсон. Его открытие позволило объяснить большинство опытов с электричеством.

Оказалось, что заряд физического тела – это совокупность огромного количества заряженных частиц – электронов. В мире известны частицы двух видов: с положительным, отрицательным зарядом.

Содержание

Заряд электрического поля

Вещество состоит из молекул, атомов, заряженные частицы входят в их состав. Отрицательные частицы – электроны – образуют внешнюю оболочку, положительные – протоны – входят в состав атомного ядра. Заряды неразрывно связаны с телами.

Чтобы не учитывать физические особенности тел, вводят понятие «точечный заряд»: это такое тело, размерами, структурой которого пренебрегают.

Законы взаимодействия формулируют именно для точечных зарядов.

Как устроено электрическое поле

Вокруг зарядов всегда существует электрическое поле. Это их особенность: отделить поле от заряда невозможно.

Характеризуют его целям рядом свойств. Одно из главных – материальность. Это означает, что электрические поля, заряды существуют только в пространстве, времени.

Они существуют независимо от того, что о них знают исследователи, какие опыты проделывают над ними.

Закон взаимодействия точечных зарядов

Этот закон открыл Ш. О. Кулон – французский ученый, физик, инженер.

Он сформулировал его так – заряды взаимодействуют между собой с силой, прямо пропорциональной произведению зарядов, обратно пропорциональной расстоянию между ними.

В честь первооткрывателя закон взаимодействия, единица заряда названы его именем.

Математически закон Кулона записывают так:

F = kq1q2/R2.

Обозначения:

F – сила, измеряют в ньютонах (Н);
q1, q2 – заряды, измеряют в кулонах (Кл);
R – расстояние между зарядами, м;
k – коэффициент пропорциональности, численно равен 9*109 Н*м2/Кл2.

Коэффициент k имеет простой физический смысл – это сила, с какой взаимодействуют два заряда по 1 Кл на расстоянии 1 м.

Свойства электрического поля

Напряженность поля заряда

Кулоновский закон дает возможность последовательно ввести понятие напряженности. Это отношение силы, с какой один заряд притягивает (отталкивает) другой заряд, к его величине:

E = F/q.

Обозначения:

F – сила взаимодействия, Н;
q – заряд, Кл
E – напряженность, единица измерения – Н/Кл.

Силовой эту характеристику называют потому, что в определение входит сила F.

Сила взаимодействия имеет направление, то есть это векторная величина, поэтому напряженность поля – тоже вектор.

Изображают векторы в виде отрезков со стрелками, указывающих направление. Для наглядного изображения распределения напряженности одного заряда, системы из нескольких зарядов используют линии напряженности.

Это такие воображаемые линии, которые:

выходят из положительных зарядов, входят в отрицательные;
они не замкнуты;
в каждой точке линии вектор напряженности направлен вдоль касательной.

Плотность линий напрямую зависит от самого заряда, расстояния до него.

Получить детальную картину распределения линий напряженности нескольких зарядов помогает компьютерное моделирование. При этом считают, что заряды неподвижны; такое поле называют электростатическим.

Потенциал поля неподвижного заряда

Электрическое поле имеет энергию. При передвижении в нем заряда из одного положения в другое выполняется работа. Она не зависит от пути перемещения, поэтому поле статичных зарядов – потенциальное поле, имеющее потенциальную энергию. По определению работа – это произведение силы на перемещение.

Из формулы напряженности получают:

F = E*q.

E = F/Q Electric Fields Chapter 21

Тогда работа по перемещению заряда из одной точки в другую A=F*S, где F – сила, S – перемещение. S=d2-d1 (d – расстояние).

Подставляя выражения для силы, перемещения, получают:

A = E*q*(d2-d1) = Eqd2 — Eqd1.

Произведение Eqd обозначают Wp и называют потенциальной энергией электростатического поля:

Тогда работа A = Wp2-Wp1 = ΔWp.

В определение потенциальной энергии Wp входит расстояние d, зависящее от выбора системы отсчета; оно не абсолютно, а относительно. Поэтому потенциальная энергия поля заряда – величина относительная. Значение имеет ее изменение ΔWp, равное работе кулоновской силы по изменению положения заряда.

Отношение потенциальной энергии поля заряда к его величине называют потенциалом:

Wp/q = φ.

Wp – потенциальная энергия, измеряют в джоулях (Дж);
q – заряд, Кл;
φ(фи) – потенциал, измеряют в Дж/Кл.

Поскольку в формулу для потенциала входит потенциальная энергия Wp, а она относительна (зависит от выбора системы отсчета), то и потенциал – тоже величина относительная.

По этой же причине потенциал – энергетическая характеристика электрического поля. Значение имеет его изменение или разность потенциалов:

Δφ = φ2-φ1.

Напряжение

Разность потенциалов называют напряжением, обозначают U:

U = Δφ = A/q.

Измеряют напряжение в вольтах (В). 1 В – такое напряжение, при котором для перемещения заряда 1 Кл требуется работа 1 Дж.

На практике используют:

дольные единицы: милливольт (мВ), микровольт (мкВ);
кратные: киловольт (кВ), мегавольт (МВ).

Прибор для измерения напряжения – вольтметр.

В определение понятия напряжения входит работа, но совершают эту работу не силы кулоновского взаимодействия, а так называемые сторонние силы. Они могут быть механического, теплового, химического, магнитного происхождения.

Между напряженностью поля заряда и разностью потенциалов существует простая взаимосвязь:

E = Δφ/Δd = U/Δd.

Благодаря ей устанавливают еще одну единицу напряженности: В/м.

Напряженность поля 1 В/м означает, что между двумя точками в этом поле, расстояние между которыми 1 м, разность потенциалов составляет 1 В.

Область применения

Знания об электрическом поле, его свойствах нашли применение в нескольких сферах деятельности.

В медицине:

действие поля на пораженные участки тканей оказывает стимулирующий, заживляющий эффект;
в зоне влияния поля повышается температура (согревание), улучшается кровообращение.

В химической промышленности:

электрическое поле по разному влияет на различные вещества;
это свойство используют для разделения жидкостей в смесях, для очистки от нежелательных компонентов;
таким способ очищают нефть, продукты ее переработки, воду.

В электротехнике:

для защиты электронных блоков аппаратуры от влияния электрических полей – экранирование;
беспроводная передача энергии на расстояние;
обнаружение скрытой проводки, мест обрыва;
пассивная, активная молниезащита.

Изучение свойств электрического поля представляет не только научный интерес, а находит широкое практическое применение. Продолжается изучение особенностей поля заряженных областей атмосферы с целью получения бесплатного электричества, возникновение, поведение шаровой молнии.