Электрическое и магнитное поле: в чем различия?

Характеристики

Основными характеристиками являются:

потенциал;
напряжённость;
напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

электростатического;
дипольного;
системы и одноимённых зарядов;
однородного поля.

Рис. 7. Линии напряжённости различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Молнии

Основная статья: Молния

В результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами, образуются грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и озоновым слоем земли, с последующим разрядом на землю. При достижении критической разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками, на земле или в околокосмическом слое планеты. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.

Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

В 1872 году экспедицией под руководством географа Генри Ганнетта была покорена 13-я по высоте гора штата Монтана (США). Ей дали название Электрический пик

, так как у первопроходцев-покорителей, находящихся на вершине, после грозы начали сыпаться искры из пальцев рук и волос на голове.

Сила порождаемая электрическими зарядами

Напряженность электрического поля является векторной величиной, а значит имеет численную величину и направление. Величина напряженности электрического поля имеет свою размерность, которая зависит от способа ее вычисления.

Электрическая сила взаимодействия зарядов описывается как бесконтактное действие, а иначе говоря имеет место дальнодействие, то есть действие на расстоянии. Для того, чтобы описать такое дальнодействие удобно ввести понятие электрического поля и с его помощью объяснить действие на расстоянии.

Давайте возьмем электрический заряд, который мы обозначим символом Q. Этот электрический заряд создает электрическое поле, то есть он является источником действия силы. Так как во вселенной всегда имеется хотя бы один положительный и хотя бы один отрицательный заряд, которые действую друг на друга на любом, даже бесконечно далеком расстоянии, то любой заряд является источником силы, а значит уместно описание создаваемого ими электрического поля. В нашем случае заряд Q является источником электрического поля и мы будем его рассматривать именно как источник поля.

Напряженность электрического поля источника заряда может быть измерена с помощью любого другого заряда, находящегося где-то в его окрестностях. Заряд, который используется для измерения напряженности электрического поля называют пробным зарядом, так как он используется для проверки напряженности поля. Пробный заряд имеет некоторое количество заряда и обозначается символом q.

При помещении пробного заряда в электрическое поле источника силы (заряд Q), пробный заряд будет испытывать действие электрической силы — или притяжения, или отталкивания. Силу можно обозначить как это обычно принять в физике символом F. Тогда величину электрического поля можно определить просто как отношение силы к величине пробного заряда.

Если напряженность электрического поля обозначается символом E, то уравнение может быть переписано в символической форме как

Стандартные метрические единицы измерения напряженности электрического поля возникают из его определения. Таким образом напряженность электрического поля определяется как сила равная 1 Ньютону (Н) деленному на 1 Кулон (Кл). Напряженность электрического поля измеряется в Ньютон/Кулон или иначе Н/Кл. В системе СИ также измеряется в Вольт/метр. Для понимания сути такого предмета как напряженность электрического поля гораздо важнее размерность в метрической системе в Н/Кл, потому как в такой размерность отражается происхождение такой характеристики как напряженность поля. Обозначение в Вольт/Метр делает понятие потенциала поля (Вольт) базовым, что в некоторых областях удобно, но не во всех.

В приведенном выше примере участвуют два заряда Q (источник) и q пробный. Оба этих заряда являются источником силы, но какой из них следует применять в вышеприведенной формуле? В формуле присутствует только один заряд и это пробный заряд q (не источник).

Напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда q. На первый взгляд это может привести вас в замешательство, если, конечно, вы задумаетесь над этим. Беда в том, что не все имеют полезную привычку думать и пребывают в так называемом блаженном невежестве. Если вы не думаете, то и замешательства такого рода у вас и не возникнет. Так как же напряженность электрического поля не зависит от q, если q присутствует в уравнении? Отличный вопрос! Но если вы подумаете об этом немного, вы сможете ответить на этот вопрос. Увеличение количества пробного заряда q — скажем, в 2 раза — увеличится и знаменатель уравнения в 2 раза. Но в соответствии с Законом Кулона, увеличение заряда также увеличит пропорционально и порождаемую силу F. Увеличится заряд в 2 раза, тогда и сила F возрастет в то же количество раз. Так как знаменатель в уравнении увеличивается в два раза (или три, или четыре), то и числитель увеличится во столько же раз. Эти два изменения компенсируют друг друга, так что можно смело сказать, что напряженность электрического поля не зависит от количества пробного заряда.

Таким образом, независимо от того, какого количества пробный заряд q используется в уравнении, напряженность электрического поля E в любой заданной точке вокруг заряда Q (источника) будет одинаковой при измерении или вычислении.

2 вариант

1. Трем парам одинаковых бумажных цилиндриков сообщены заряды. В какой паре цилиндрики оттолкнутся друг от друга?

1) №1
2) №2
3) №3

2. Слева висящие шарики наэлектризованы и взаимодействуют с правыми заряженными шариками так, как показано на рисунке. Какой из правых шаров заряжен положительно?

1) №1
2) №2
3) №3

3. Какое явление положено в основу действия электрометра? Что показывает этот физический прибор?

1) Взаимодействие электрических зарядов; есть ли на теле, которым касаются его стержня, заряд и какова его относительная величина
2) На отталкивании друг от друга отрицательных зарядов; какого знака заряд находится на наэлектризованном теле
3) На отталкивании друг от друга положительных зарядов; относительную величину зарядов на телах

4. Незаряженных электроскопов касаются наэлектризованными так, как показано на рисунке, палочками. Как оказался заряженным электроскоп №1? электроскоп №2?

1) №1 — отрицательно; №2 — положительно
2) №1 — положительно; №2 — отрицательно
3) №1 и №2 — отрицательно
4) №1 и №2 — положительно

5. Заряженных электроскопов (положение их листочков обозначено на рисунке пунктиром) касаются наэлектризованными палочками, в результате чего их листочки расположились иначе. Какой электроскоп был заряжен положительно?

1) №1
2) №2
3) №3

6. Какое из этих веществ — проводник электричества?

1) Резина
2) Серебро
3) Шелк

7. В каких единицах измеряют электрический заряд?

1) Ваттах (Вт)
2) Джоулях (Дж)
3) Кулонах (Кл)

8. Какие частицы заключены в ядре атома?

1) Протоны и электроны
2) Протоны и нейтроны
3) Нейтроны и электроны

9. В атоме находится 19 частиц, причем протонов в его ядре 6. Сколько в нем электронов и нейтронов?

1) 6; 7
2) 7; 6
3) 6; 6

10. При наличии 8 протонов в ядре каждого из трех атомов одного и того же вещества оказалось, что в первом из них 9 электронов, во втором — 8, в третьем — 7 электронов. Какой атом стал отрицательным ионом?

1) Первый
2) Второй
3) Третий

11. Почему металлы — хорошие проводники электричества?

1) Потому что в узлах их кристаллических решеток расположены ионы
2) Потому что в них есть свободные электроны
3) Потому что в атомах металлов много электронов

12. При каком условии в проводнике возникает электрический ток?

1) Если в нем создано электрическое поле
2) Если в нем много заряженных частиц
3) Если частицы с электрическим зарядом приходят в движение

13. За счет какой энергии положительные и отрицательные заряды разделяются в гальваническом элементе?

1) Механической
2) Внутренней
3) Энергии химических реакций

14. Что такое схема электрической цепи?

1) Рисунок, на котором условно обозначены электроприборы
2) Чертеж, на котором с помощью условных обозначений показаны соединения всех составных частей цепи
3) Чертеж, показывающий, как соединены между собой проводниками потребители тока

15. Укажите, каким из этих условных обозначений изображают замыкающее цепь устройство.

1) №1
2) №2
3) №3

16. Электрическая цепь состоит из аккумулятора, звонка и ключа. Какая из представленных здесь схем ей соответствует?

1) №1
2) №2
3) №3

17. Движение каких заряженных частиц образует электрический ток в металлах? в проводящих растворах?

1) Электронов; ионов
2) Положительных ионов; отрицательных ионов
3) Ядер атомов; любых ионов

18. Чем вызван выбор в качестве направления электрического тока направление от положительного полюса источника тока к отрицательному, т.е. противоположное действительному перемещению заряженных частиц (электронов) в обычных (металлических) проводниках?

1) Историческим фактом: незнанием в то время, когда делался этот выбор, природы электрического тока
2) Удобством нахождения этого направления
3) Неизвестно

19. Какое действие электрического тока не проявляется в металлах?

1) Магнитное
2) Химическое
3) Тепловое

20. Какой прибор предназначен для обнаружения в цепи электрического тока? Какое действие тока использовано в его устройстве?

1) Гальванический элемент; химическое
2) Электрометр; магнитное
3) Гальванометр; магнитное

Ответы на тест по физике Электрические заряды и электрический ток1 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-1
9-2
10-1
11-3
12-3
13-1
14-3
15-2
16-2
17-1
18-1
19-3
20-32 вариант
1-3
2-1
3-1
4-2
5-3
6-2
7-3
8-2
9-1
10-1
11-2
12-1
13-3
14-2
15-2
16-3
17-1
18-1
19-2
20-3

Свойства зарядов

Количественно энергию, переносимую частицами, принято измерять в кулонах (Кл). Заряд — это некая фундаментальная величина природы. Сказать, что это такое, физики не могут. Зато они научились объяснять их взаимодействия и смогли выяснить свойства явления. Они установили, что заряд вокруг себя создаёт электрическое поле. Когда под его действие попадает другая частица, она начинает испытывать на себе его воздействие. Если убрать второй заряд, сила взаимодействия мгновенно не поменяется.

Эта теория была выдвинута экспериментатором Майклом Фарадеем и названа им правилом близкодействия. Оказалось, что носитель испытывает действие электрического поля, даже если рядом нет другой заряженной частицы, то есть воспринимает электромагнитные волны.

Кроме этого, учёные смогли обнаружить следующие свойства, присущие заряду:

Существует только 2 вида заряженных частиц — положительные и отрицательные.
В природе нет преобладания плюсовых или минусовых зарядов, а их суммарное число одинаковое.
При электризации процесс сопровождается не появлением новых носителей, а их разделением.
Размер минимального положительного заряда (протона), который удалось открыть, составляет 1,6021892 * 10-19 Кл. Это значение по модулю равно электрону.
Он инвариантен, то есть его значение не зависит от выбранной системы отсчёта.
Энергия, которой обладает заряженная частица, может принимать любые дискретные значения.

Последнее свойство было доказано советским физиком Иоффе в начале XX века. Он взял 2 металлические пластины. Одну из них он зарядил отрицательно, а другую положительно. Между ними помещал пылинки цинка. В результате физик наблюдал их взаимодействие с прообразом плоского конденсатора. Под действием электрического поля и ультрафиолетового излучения, из цинка вылетали электроны, и скорость пылинок изменялась.

Измеряя её, он увидел, что заряд цинковых пылинок менялся на строгую величину. Но измерить её он не смог из-за сложной формы пыли. Рассчитать значение элементарной энергии получилось у Роберта Милликена. Вместо цинка, он использовал капельки масла. Учёный смог вычислить силу сопротивления воздуха, а затем определить, величину элементарного заряда. Она составила: 4,803242±0,000014×10-10 единиц (если значение будет измеряться в СГСЭ).

Это наименьшее значение, которое можно получить в природе. Остальные величины образуются квантованием, то есть общий заряд всегда равен целому числу элементарных.

Определение

Напряженность относят к величинам физического характера. Как уже говорилось, это силовой параметр. Равен обычно соотношению между силой, действующей на заряженное тело, и значением.

Измерение напряжённости

Важно. Показатель напряжённости относят и к векторным величинам

Определяют, с каким значением действует сила на заряженные предметы. При необходимости упрощает определение направления. Главная единица измерения – ньютон на кулон.

Определение напряжённости упрощает организацию измерения показателя. Если заранее знать значение энергии того или иного тела – проще измерить характеристику, воздействующую на него. Как найти напряжённость – объяснено дальше.

Структура электрического поля

Для того чтобы понять структуру электрического вначале следует определить потенциал. Говоря просто, потенциал — это действие по переведению какого-либо тела или заряда из начального места в конкретный пункт размещения. Потенциал в сфере электрополя — это своеобразная энергия, которая двигает электрон. В результате движения он перемещается с точки так называемого нулевого потенциала в другую точку, имеющую ненулевой потенциал.

Вам это будет интересно Особенности пайки

Чем выше потенциал, который потрачен на передвижение электрического заряда или тела, тем более значительной будет плотность потока на единице площади. Это явление сравнимо с законом гравитации: чем больше вес тела, тем выше энергия, действующая на него, а, значит, значительнее плотность гравитационной характеристики. В естественных условиях существуют заряды с незначительным потенциалом и с низкой степенью плотности, а также заряженные частицы и тела с высоким потенциалом и насыщенной плотностью потока. Такое явление, как работа по перемещению электрозаряда, наблюдается при грозе и молнии, когда в одном месте происходит истощение электронов, а в другом — их насыщение, образовывающее своеобразное электрически заряженное ЭП, когда происходит разряд в виде молнии.

Переменное МП

Воздействие поля на заряды

При воздействии полей предполагается, что в полную силу входят магнитные и электрические составляющие. Она выражается в так называемой формуле по силе Лоренца:

F = qE + qv x B

Своим значением наделён каждый элемент в этом определении напряжённости электрического поля, формула без них не будет точной:

Q – обозначение заряда.
V – скорость.
B – вектор относительно магнитной индукции. Это основная характеристика, присущая магнитному пространству. Без неё измерять нельзя.

Вам это будет интересно Применение переменного тока в электрических сетях

Косой крест применяют для обозначения векторного произведения. Единицы измерения для формулы – СИ. Заряды тоже становятся частью общей системы.

Специальный прибор

Новые значения – более общие по сравнению с формулой, чьё описание приведено ранее. Причина – в том, что частица под воздействием сил.

Обратите внимание. Предполагается, что частица в этом случае – точечная

Но благодаря этой формуле просто определить воздействие на тела вне зависимости от текущей формы. При этом распределение зарядов и токов внутри не имеет значения. Главное – уметь рассчитывать E и B, чтобы применять формулу правильно. Тогда проще проводить и определение напряжённости поля, формулы с другими цифрами.

Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей

Первые достаточно точные обоснования и выводы (как теоретические, так и практические) по результатам исследований процессов внутри данных полей сделал великий ученый Д. Максвелл. Он показал, какая взаимосвязь происходит между эклектическими зарядами и протекающими токами электромагнитного поля. Для проведения исследований и получения результатов, были применены ранее сформулированные законы Ампера и Фарадея. В трудах физика было определено точное соотношение между электрическим и магнитным полем, которое возникало вследствие определенного способа распределения зарядов в пространстве.

Структура электрического поля

Вам это будет интересно Особенности катушки индуктивности

Переменное МП

Что такое магнитное поле?

Под этим термином в физике понимают силовое поле, которое оказывает влияние исключительно на движущиеся тела, частицы или заряды. Каждый из элементов характеризуется магнитным моментом. Сила в таком случае меньше зависит от движения заряда. В качестве заряженных частиц в этом случае выступают электроны. Что касается напряженности этого вида поля, величина будет находиться в прямой пропорции от скорости заряда и его параметров.

В качестве лучшего примера стоит привести планету Земля. Ее центральная часть состоит из раскаленного железа. Как и другие металлические объекты, он может перемещать по себе электроны. Именно поэтому наибольшее магнитное поле на Земле формируется самой планетой, или ее центром, если сказать точнее. Если это поле исчезнет, высока вероятность катастроф и даже гибели живых организмов.

Мнение эксперта
Карнаух Екатерина Владимировна
Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия»

В качестве более стандартного примера такого понятия стоит привести электромагниты. Они, как правило, включают провода, которые обмотаны вокруг ферромагнетиков. Эти элементы представляют собой ряд веществ, которые приобретают магнитные характеристики лишь в том случае, если их температура ниже конкретного уровня. Последний параметр называют в физике температурой Кюре. По сути, ферромагнетики считаются уникальными элементами. Они вступают во взаимодействие с магнитным полем, но при этом не несут движущихся зарядов.

Измерение

Напряжённость относят к векторным величинам, оказывающим силовое воздействие на заряженные частицы.

Существуют не только теоретические, но и практические способы для измерения напряжённости.

Если речь о произвольных – сначала берут тело, содержащее заряд. Это правило распространяется на любые электронные устройства.

Размеры тела должны быть меньше размеров другого тела, генерирующего заряд. Достаточно небольшого металлического шарика, у которого есть свой заряд. Заряд шарика измеряют электрометром, потом приспособление помещают внутрь. Динамометр уравновешивает силу, воздействующую на предмет. После этого можно снять показания с единицей измерения – Ньютонами.

В бытовых условиях

Значение напряжённости получают, разделив значение силы на величину заряда.

Измерить расстояние – первый шаг, когда определяют напряжённость в конкретной точке, удалённой от тела на какую-либо величину.

Полученную величину разделяют на расстояние, возведённое в квадрат. К полученному результату применяют специальный коэффициент. Его выражение такое: 9*10^9.

Отдельного изучения заслуживает ситуация с конденсаторами.

В данном случае первый этап – измерение напряжения между пластинами. Предполагается использование вольтметра. Потом определяются с расстоянием между этими пластинами. Единица измерения – метры. Получают результат, который и будет напряжённостью. Направлять её можно по-разному.

Вам это будет интересно Эксплуатация мультиметра DT- 832: инструкция по применению