Электрическое поле и способы его описания

Теории дальнодействия и близкодействия

Физики выдвигали различные теории, пытаясь объяснить взаимодействие зарядов. Наибольшее распространение получили две – их называют теориями близкодействия и дальнодействия.

Дальнодействие

Теория дальнодействия сообщает, что один заряд действует на другой заряд непосредственно. То есть, чтобы передать действие одного заряда на другой, посредники не нужны.

Кроме того, взаимодействие происходит мгновенно на любых расстояниях. Это значит, что если убрать один из взаимодействующих зарядов, то его действие на оставшийся заряд прекратится мгновенно.

Близкодействие

В противоположность этой теории Майкл Фарадей предложил свою теорию близкодействия.

Эта теория заявляет о том, что непосредственно действовать друг на друга заряды не могут. То есть, для передачи своего воздействия заряду нужна некоторый помощник. И каждый заряд создает в пространстве вокруг себя этого помощника. Фарадей назвал его электрическим полем.

На другие заряды будет действовать не сам заряд, а поле, созданное этим зарядом. Такое поле распространяется в пространстве не мгновенно, а с конечной скоростью.

Примечание: Как выяснилось позже, это очень большая скорость – триста тысяч километров в секунду. Ее называют скоростью света.

Поэтому, если один из взаимодействующих зарядов быстро убрать, то второй заряд узнает о его исчезновении не мгновенно, а через некоторое, пусть небольшое, время.

Получается, что взаимодействие зарядов протекает не непосредственно, а в виде цепочки. Каждый заряд создает вокруг себя поле, именно поле действует на другой заряд, помещенный в него.

А сила, действующая на заряд, расположенный в какой-либо точке пространства, зависит от характеристик поля в этой точке.

Рис. 3. Основные отличия теории дальнодействия от теории близкодействия

В настоящее время общепринятой теорией, объясняющей взаимодействие зарядов, является теория близкодействия Фарадея. Так как эта теория полностью подтвердилась экспериментально.

Примечание: Кроме электрических существуют, так же, магнитные поля. В отличие от электростатического, магнитное поле не имеет своих магнитных источников. Оно возникает в пространстве вокруг движущихся зарядов. То есть, магнитное поле – это поле электрических зарядов, находящихся в движении.

Джеймс Клерк Максвелл в середине 19-го века показал, что электрическое и магнитное поля связаны и это электромагнитное поле распространяется в пространстве с очень большой, но конечной скоростью.

Поле и вещество – это два вида материи

Мир, окружающий нас, материален. Значит, материя – это то, что существует реально, независимо от того, наблюдаем ли мы за ней, или нет.

Она может проявлять себя в виде двух частей — вещества и поля. Нас окружает вещество, а атомы и молекулы — это мельчайшие единицы вещества.

Поле – это еще один вид материи. Поле веществом не является, однако, оно существует реально.

Рис. 4. Материя состоит из двух частей — поля и вещества

Эквипотенциальная поверхность (№1)

ВНИМАНИЕ! У этого текста есть несколько вариантов. Ссылки находятся после текста. Вокруг точечного заряжен­ного тела существует бесконечно большое множество точек, в которых потенциалы будут одинаковы

Все они будут лежать на сферической поверхности радиуса r с цент­ром в источнике поля. Такую поверхность называют эквипотенциальной

Вокруг точечного заряжен­ного тела существует бесконечно большое множество точек, в которых потенциалы будут одинаковы. Все они будут лежать на сферической поверхности радиуса r с цент­ром в источнике поля. Такую поверхность называют эквипотенциальной.

Эквипотенциальная поверхность — это гео­метрическое место точек равных потенциа­лов.

Если силовые линии создают силовой «образ» поля, то эквипотенциальные поверх­ности позволяют средствами графики изоб­разить энергетическую структуру электри­ческого поля.

Для поля точечного заряженного тела эквипотенциальные поверхности являются концентрическими сферами (рис. 4.56). Ли­нии напряженности электрического поля, направленные вдоль радиусов этих сфер, перпендикулярны эквипотенциальным по­верхностям. И это — общее правило при гра­фическом изображении эквипотенциальных поверхностей.

Линии напряженности электрического по­ля перпендикулярны эквипотенциальным по­верхностям.

Рис. 4.56. Эквипотенциальные поверх­ности заряженного поля

Рис. 4.57. Эквипотенциальные поверхнос­ти однородного электростатического поля

Эквипотенциальные поверхности одно­родного поля параллельных пластин па­раллельны этим пластинам (рис. 4.57). Да и сами заряженные пластины являются экви­потенциальными поверхностями.

Для более сложных полей эквипотен­циальные поверхности имеют более слож­ную форму (рис. 4.58 и 4.59).

Линии напряженности поля показывают и направление уменьшения потенциала. Он уменьшается в направлении линий напря­женности поля.

Отдельным примером эквипотенциальной поверхности является поверхность заряжен­ного проводника. Доказательством этого яв­ляется тот факт, что линии напряженности электростатического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Рис. 4.58. Эквипотенциальные поверхнос­ти неоднородного электростатического поля

Рис. 4.59. Эквипотенциальные поверхности электростатического поля сложной струк­туры

Эквипотенциальные поверхности — это не просто геометрические построения.

Они отображают тот факт, что при перемещении заряженного тела по эквипотенциальной по­верхности работа равна нулю, поскольку потенциальная энергия тела при этом не изменяется.

Универсальным примером экви­потенциальной поверхности является поверх­ность проводника. Таким образом, заряжен­ный проводник имеет определенный потен­циал, одинаковый во всех точках его по­верхности.

На этой странице материал по темам: Вопросы по этому материалу:

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Рис. 1. Определение понятия «электрическое поле»

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

• реагирует на присутствие заряженных частиц;
• взаимодействует с магнитными полями;
• является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
• поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Свойства силовых линий электростатического поля

Можно выделить два свойства силовых линий поля, создаваемого неподвижными зарядами:

1. Силовые линии имеют начало и конец – они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах.
2. Напряженность поля больше в той области, в которой линии располагаются гуще.

Рис. 15. Два свойства силовых линий электрического поля, созданного неподвижными зарядами

Примечание: Существует, так же, вихревое электрическое поле. Это поле не связано с неподвижными зарядами. Его линии замкнуты сами на себя. Картина такого поля представляет собой нечто похожее на вихрь, отсюда и появилось его название. Подробнее о вихревом электрическом поле написано в статье, посвященной электромагнитным волнам.

Где заканчиваются линии единственного заряда

Линии электростатического поля, начавшись на положительном заряде, должны закончиться на каком-либо отрицательном заряде.

Если поблизости от какого-либо заряда не располагается второй заряд, имеющий противоположный знак, то линии поля такого одинокого заряда уходят в бесконечность.

Там, далеко, на бесконечности, всегда найдется заряд, имеющий противоположный знак, на котором будут заканчиваться линии рассматриваемого одиночного заряда.

Рис. 16. Если заряд единичный и поблизости других зарядов противоположного знака нет, то силовые линии его уходят в бесконечность и там заканчиваются на противоположном заряде

Графическое представление поля.

Чтобы наглядно представить себе поле, мы можем с каждой точкой пространства связать
вектор напряженности,
длину которого рисовать в соответствии с числовым значением (рис.4.5а и рис.4.5.б)

Другой способ — это изображение линий напряженности
или силовых линий, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением
поля в этой точке. Эти линии являются гладкими и непрерывными, за исключением
таких особенностей, как заряд. Густота линий выбирается таким образом, чтобы
количество линий, пронизывающих единицу поверхности перпендикулярной к линиям
площадки было пропорционально Е. Тогда по картине линий напряженности,
можно судить о направлении и величине Е. Эти линии начинаются на положительных,
а заканчиваются на отрицательных зарядах (или на бесконечности) и нигде не пересекаются.
На рис.4.6 представлены линии напряженности для разноименных (слева) и одноименных
(справа) зарядов.

Если эту картину привести
во вращение вокруг оси, соединяющей заряды, то получим объемную картину распределения
поля.

Для зарядов разной величины
картина может выглядеть весьма причудливым образом (рис.4.7).

Линии напряженности можно воспроизвести и в эксперименте. С этой целью в сосуд
с плоским дном наливают какую-нибудь изолирующую жидкость, (вазелин, касторовое
масло) в которой, по возможности равномерно, распределены кристаллики хинина,
манная крупа или вообще какие-нибудь небольшие тельца удлиненной формы. Погрузив
в такую жидкость два электрода, можно увидеть, как эти частицы, наэлектризовавшись
и притянувшись друг к другу, образуют собою кривые линии (рис.4.8) как раз той
же самой формы, которая была рассчитана теоретическим путем. Мелкие частицы
в поле выстраиваются вдоль силовых линий. (Почему? Ведь поле есть в любой точке
?!)

§ 38. Понятие об электрическом поле

Все, что существует объективно во Вселенной, называется материей. Источником сведений о ней являются органы чувств человека. В настоящее время известно два вида материи: вещество и поле. Вещество — вид материи, состоящей из частиц, обладающих массой покоя (протона, нейтрона, электрона, атома, молекулы). Поле — вид материи, посредством которой происходит гравитационное, электромагнитное, ядерное взаимодействие.

Поле, посредством которого происходит электромагнитное взаимодействие, т. е. взаимодействие электрически заряженных частиц (тел), называется электромагнитным (см. рис. 42).

Электромагнитное поле, посредством которого взаимодействуют электрически заряженные частицы, называется электрическим полем (см. рис. 42, а).

Источником его являются заряженные частицы (тела). Электрическое поле обладает свойством действовать на наэлектризованное тело или частицу, находящиеся в нем. При этом характер его действия как на подвижный, так и на покоящийся заряд одинаков и заключается в притяжении или отталкивании. Взаимодействие неподвижных наэлектризованных тел происходит посредством электрического поля: тело А своим электрическим полем действует на тело В, а тело В своим электрическим полем — на тело А. Электрическое поле покоящихся зарядов называется электростатическим полем.

Электромагнитное поле, посредством которого взаимодействуют токи, магниты, ток и магнит, называется магнитным полем (см. рис. 42, б, в, г). Источником его являются движущийся электрический заряд (ток), магнит, изменяющееся электрическое поле. Магнитное поле действует только на движущиеся заряды (ток, магнит). Следовательно, движущийся электрический заряд помимо электрического имеет и магнитное поле.

Рис. 44. Проявление электромагнитного поля в зависимости от системы отсчета

Электрическое или магнитное проявление электромагнитного поля зависит от системы отсчета. Покажем это на таком примере. На рис. 44 экспериментатор равномерно и прямолинейно движется по лаборатории, перемещая заряженный металлический шар на изолирующей подставке. Какое поле создает заряд шара?

Так как заряд относительно экспериментатора неподвижен (тот движется вместе с зарядом), то экспериментатор обнаружит лишь электрическое поле, создаваемое шаром. Экспериментатор, сидящий за столом (см. рис. 44), с этим не согласится и скажет, что, поскольку заряд движется, он — ток; заряд создает кроме электрического еще и магнитное поле.

Какое же поле в действительности создает заряженный шар? Только электрическое или электрическое и магнитное вместе? Ответ на этот вопрос зависит от выбора системы отсчета. Если производить измерения в системе координат, движущихся вместе с зарядом, т. е. с помощью приборов экспериментатора, изображенного на рис. 44, то эти приборы зарегистрируют только присутствие электрического поля. Приборы экспериментатора, изображенного на рис. 44, зарегистрируют и электрическое, и магнитное поля. Следовательно, разделение*электромагнитного поля на электрическое и магнитное относительно и зависит от системы отсчета. Человек не обладает органами чувств для непосредственного обнаружения электрического и магнитного полей.

Между веществом и полем имеется общее, например они обладают массой и энергией, их частицы могут взаимопревращаться. В том, что электромагнитному полю присуща энергия, нас убеждает нагревание тел светом, возникновение в антенне под действием радиоволн электрического тока. Искривление луча света при его прохождении вблизи звезды доказывает, что электромагнитное поле обладает массой.

Между веществом и полем имеются и различия. Например, вещество обладает структурностью (состоит из молекул, атомов, электронов, протонов); для поля она не обнаружена, т. е. для частиц поля (фотона, гравитона) не выявлены частицы, из которых состоят сами частицы поля. Частицы вещества могут иметь любую скорость, но меньшую, чем скорость света в вакууме, частицы поля (фотон, гравитон) движутся только со скоростью света. В одном и том же месте пространства (объема) не может находиться одновременно несколько вещественных тел, но возможно существование сразу нескольких полей, причем они не влияют друг на друга. После порождения веществом поле может существовать самостоятельно, а вещество, его структурность не может быть без поля. Благодаря действию полей частицы образуют атомы, молекулы, тела.

На существование электромагнитного поля впервые указал Фарадей, Максвелл теоретически открыл общие законы электромагнитного поля (уравнения Максвелла). Впервые экспериментально обнаружил и изучил некоторые свойства этого поля Герц.

Электрическая емкость. Конденсатор

Электрическая емкость (электроемкость) – скалярная физическая величина, характеризующая способность уединенного проводника удерживать электрический заряд.

Обозначение – ​\( C \)​, единица измерения в СИ – фарад (Ф).

Уединенный проводник – это проводник, удаленный от других проводников и заряженных тел.

Фарад – электроемкость такого уединенного проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда 1 Кл:

Формула для вычисления электроемкости:

где ​\( q \)​ – заряд проводника, ​\( \varphi \)​ – его потенциал.

Электроемкость зависит от его линейных размеров и геометрической формы. Электроемкость не зависит от материала проводника и его агрегатного состояния. Электроемкость проводника прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости среды, в которой он находится.

Конденсатор – это система из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники называют обкладками конденсатора. Заряды обкладок конденсатора равны по величине и противоположны по знаку заряда. Электрическое поле сосредоточено между обкладками конденсатора. Конденсаторы используют для накопления электрических зарядов.

Электроемкость конденсатора рассчитывается по формуле:

где ​\( q \)​ – модуль заряда одной из обкладок,
​\( U \)​ – разность потенциалов между обкладками.

Электроемкость конденсатора зависит от линейных размеров и геометрической формы и расстояния между проводниками. Электроемкость конденсатора прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости вещества между проводниками.

Плоский конденсатор представляет две параллельные пластины площадью ​\( S \)​, находящиеся на расстоянии ​\( d \)​ друг от друга.

Электроемкость плоского конденсатора:

где ​\( \varepsilon \)​ – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками,\( \varepsilon_0 \) – электрическая постоянная.

На электрической схеме конденсатор обозначается:

Виды конденсаторов:

• по типу диэлектрика – воздушный, бумажный и т. д.;
• по форме – плоский, цилиндрический, сферический;
• по электроемкости – постоянной и переменной емкости.

Конденсаторы можно соединять между собой.

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении конденсаторы соединяются одноименно заряженными обкладками. Напряжения конденсаторов равны:

Общая емкость:

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов соединяют их разноименно заряженные обкладки.

Заряды конденсаторов при таком соединении равны:

Общее напряжение:

Величина, обратная общей емкости:

При таком соединении общая емкость всегда меньше емкостей отдельных конденсаторов.

Важно!
Если конденсатор подключен к источнику тока, то разность потенциалов между его обкладками не изменяется при изменении электроемкости и равна напряжению источника. Если конденсатор заряжен до некоторой разности потенциалов и отключен от источника тока, то его заряд не изменяется при изменении электроемкости

Применение конденсаторов
Конденсаторы используются в радиоэлектронных приборах как накопители заряда, для сглаживания пульсаций в выпрямителях переменного тока.

«Материальные уравнения»

Для решения многих практических задач вполне достаточна ограниченная точность. С помощью «материальных» уравнений выполняют расчеты различных электрических цепей.

Уместный пример – закон Ома. Он был создан в ходе измерения электрических параметров. В начальном виде формула (Х=П/L+B) состояла из следующих компонентов:

• Х – показания измерительного устройства (гальванометра), включенного в разрыв электрической цепи;
• П – параметры источника питания, заставляющие стрелку прибора отклоняться на определенный угол;
• L – длина соединительных проводов;
• B – общие свойства установки.

Несложно догадаться, что в современном представлении это известный закон, показывающий взаимное влияние основных параметров полной электрической цепи:

I = E/R+r,

где:

• I – ток;
• E – ЭДС (напряжение);
• R и r – сопротивление подключенных компонентов и самого источника питания, соответственно.

Примечания

1. // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 246. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.
2. Для любой частицы её электрический заряд постоянен. Измениться он может только если от частицы что-то заряженное отделится или если к ней что-то заряженное присоединится.
3. Иногда его значения могут оказываться и одинаковыми в разных точках пространства; если E→{\displaystyle {\vec {E}}} одинаков всюду в пространстве (или в какой-то области), говорят об однородном электрическом поле — это частный, наиболее простой, случай электрического поля; в реальности электрическое поле может быть однородным лишь приближённо, то есть различия E→{\displaystyle {\vec {E}}} в разных точках пространства есть, но иногда они небольшие и ими можно пренебречь в рамках некоторого приближения.
4. Электромагнитное поле может быть выражено и по-другому, например через электромагнитный потенциал или в несколько иной математической записи (в которой вектор напряжённости электрического поля вместе с вектором магнитной индукции входит в тензор электромагнитного поля), однако все эти способы записи тесно связаны между собой, таким образом, утверждение о том, что поле E→{\displaystyle {\vec {E}}} — одна из основных составляющих электромагнитного поля, не утрачивает смысла.
5. Хотя исторически многие из них были открыты раньше.