Электрическое поле: определение, классификация, характеристики

Определение

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

Таким образом, под этим термином понимается особый вид материи, обладающей собственной энергией, являющейся интегральной составляющей векторного электромагнитного поля. Электрическое поле не имеет границ, но 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 движение носителей заряда.

Рис. 1. Определение термина «электрическое поле”

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Его можно преобразовать в другие виды или направить в работу.

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

Характерные физические свойства:

• реагирует на присутствие заряженных частиц;
• взаимодействует с магнитными полями;
• является движущей силой движения зарядов — как положительных ионов, так и отрицательных зарядов в металлических проводниках;
• можно определить только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Его всегда окружают неподвижные статические (не меняющиеся во времени) заряды, отсюда и название — электростатический. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют те же силы, что и в электрическом.

Электростатическое воздействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованного эбонитового стержня 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, находящейся в зоне разряда, происходит перераспределение зарядов.

За счет распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком воздействия электрического поля.

Электрический заряд

Концепция электрического заряда занимает центральное место в классической теории электромагнетизма. Электрический заряд в физике — это величина, характеризующая способность объектов вступать в электрические взаимодействия. Следует подчеркнуть, что тела с одинаковыми зарядами всегда отталкиваются друг от друга, а тела с противоположными зарядами притягиваются.

Фундаментальное свойство заряда заключается в его двойственной природе: заряды могут быть как положительными, так и отрицательными. Итак, все заряженные тела условно разделены физиками на два подвида, при этом все тела одного из подвидов отталкиваются друг от друга, а тела другого подвида притягиваются.

Например, если частица А отталкивает частицу В, а частица А притягивает частицу С, то частица В также притягивает частицу С.

Физики до сих пор не разобрались, почему тела обладают этим глобальным, универсальным и, при ближайшем рассмотрении, элементарным свойством. Однако термины «отрицательный заряд» и «положительный заряд» являются противоположными проявлениями одного и того же качества.

Заряженная частица всегда рождается в паре с частицей противоположного заряда. Например, при распаде фотона рождается пара положительно и отрицательно заряженных электронов (позитрон и негатрон). В этом процессе нет изменения заряда, другими словами, изменение заряда равно нулю до и после «трансформации» фотона.

Чтобы понять, в чем сущность данной скалярной величины и из чего состоит электрическое вещество, следует изучить два фундаментальных свойства электрического заряда: квантование и сохранение заряда.

Принцип квантования заряда

Даже начинающий физик знает: в природе электрические заряды состоят из дискретных зарядов, имеющих постоянную величину, которая характеризуется как заряд электрона и обозначается символом е. Например, положительный заряд позитрона и отрицательный заряды негатрона равны. Квантование заряда — это естественное выравнивание значений заряда двух противоположно заряженных частиц.

Важным понятием в терминологии квантования является дискретность заряда. Согласно новейшим физическим теориям заряд квантуется, т е обладает свойством дискретности: заряд состоит из минимальных частей зарядов, которые не могут быть далее разделены.

Принцип сохранения заряда

Этот принцип вытекает из природы «рождения» двух мировых тел с противоположными зарядами. Это основной эмпирический закон, не имеющий противоречий ни в одном из исследований, проведенных на сегодняшний день.

Буквально принцип сохранения гласит: в замкнутой системе электрический заряд, который имеет и другое название — алгебраическая сумма двух противоположных зарядов, остается постоянным.

Кулоновская сила

Концепция Кулона характеризует взаимодействие между двумя покоящимися зарядами. Там сказано: два неподвижных заряда отталкиваются или притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению величины зарядов, но обратно пропорциональной длине расстояния между этими зарядами во второй степени. В то же время сила взаимодействия пары зарядов не может быть изменена при наличии третьего.

Используя принцип Кулона, ученый может найти состояние равновесия в ситуации свободного движения зарядов под действием силы другого вида, где заряды будут распределены с постоянным коэффициентом. Сила Кулона определяется третьим законом Ньютона, который гласит, что заряды действуют друг на друга с силами, равными по величине, но противоположными по направлению.

Теория близкодействия

Согласно теории ближнего действия, электрические заряды переносят свои взаимодействия с помощью особых материальных частиц-посредников и производятся с конечной скоростью.

Основоположниками теории ближнего действия в классической физике являются философ и физик Рене Декарт и естествоиспытатель Майкл Фарадей. В рамках этой концепции считается, что частицы, являющиеся посредниками в процессе передачи взаимодействий, движутся со строго определенной скоростью, стремящейся к скорости света.

Носителями, или промежуточными телами, передающими взаимодействие между зарядами, являются кванты электрического поля, движущиеся со скоростью света.

Теория ближнего действия

Электроемкость, конденсатор и напряженность электрического поля

Величина С, равная заряду q, необходимому для сообщения проводнику увеличения потенциала, называется электрической емкостью.

Емкость описывает инерцию заряженного вещества, которое может проводить электрический ток, или, другими словами, его сопротивление повышению потенциала.
Формула, характеризующая принцип электрической мощности системы:

Размер и форма проводника определяют величину электрической емкости, как и свойства диэлектрика, разделяющего проводники. В физике важным типом системы является концентрация электрического поля в определенном месте в пространстве. Он называется «конденсатором», который, в свою очередь, состоит из проводников, называемых пластинами.

Этот тип системы представляет собой конфигурацию проводников, состоящую из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на небольшом расстоянии и ограниченных слоем диэлектрика.

История развития электрического поля

Маркировка кабеля

Важнейшими вехами в истории развития учения об этом явлении являются следующие открытия:

• 1773 г. — Французский астроном Ж. Л. Лангранж впервые употребил такое понятие, как «потенциал». Применительно к небесным телам это понятие впоследствии широко использовалось в физике.
• 1785 г. — Шарль Кулон сформулировал закон, названный впоследствии его именем, описывающий взаимодействие между заряженными частицами;
• 1812 г. — французский физик С. М. Пуассон применил понятие «потенциал» при описании электрических, электромагнитных процессов и явлений;
• 1819 г. — датский физик Г. К. Эрстед экспериментально показал влияние тока, протекающего по проводнику, на отклонение магнитной стрелки, происходящее под действием образующегося вокруг нее электрического поля;
• 1827 г. — Г. Ом сформулировал названный его именем основной закон электротехники, описывающий зависимость между основными характеристиками электрического тока, протекающего по проводнику (напряжение, мощность, сопротивление);
• 1831 г. — М. Фарадей, ученик известного английского ученого Гемфри Дэви, описывает в своем труде по электромагнетизму взаимодействие между двумя компонентами электромагнитного поля;
• 1873 г. — Д. К. Максвелл публикует свой знаменитый фундаментальный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором ученый подробно описывает взаимодействие электрических и магнитных полей, приводит уравнения, описывающие их закономерности.

Виды полей

Что измеряется в фарадах

В зависимости от модуля и вектора напряженности различают следующие типы электрических полей:

• Однородный — модуль и вектор интенсивности одинаковы (однородны) в любой точке поля;
• Неоднородный — модуль и вектор напряжения различны (неоднородны) в разных точках.

В зависимости от текущего источника, создающего поле, различают такие его виды, как:

• Создается постоянным током — вектор напряженности имеет постоянное во времени направление;
• Создается переменным током — вектор напряженности меняется со временем.

Как устроено и действует электрическое поле

Проводники и диэлектрики в электрополях

Мощный стабилизатор напряжения

Взаимодействие электрического поля на проводниках и диэлектриках из-за их разной электропроводности различно:

• Если проводник ввести в электростатическое поле, образованное двумя плоскостями, то под действием кулоновских сил заряды в нем будут концентрироваться на поверхности. При этом внутри проводника возникнет отдельное поле, вектор напряженности которого противоположен, а модуль равен аналогичной характеристике внешнему.

В результате лидер, несмотря на внешнее влияние на него, останется нейтральным. Это свойство широко используется для защиты устройств от воздействия электрических и магнитных полей.

• Если те же манипуляции провести с диэлектриком, то образующееся внутри него поле будет иметь меньший модуль, чем внешнее. Отношение между модулями напряженности внутреннего и внешнего полей является постоянной величиной для каждого диэлектрического материала, ее обычно называют диэлектрической проницаемостью.

Также в диэлектриках в этой ситуации возникает такое явление, как поляризация — ограниченное движение связанных зарядов или диполей.

На заметку. Реальным примером системы, состоящей из двух противоположно заряженных пластин, является электролитический конденсатор небольшой емкости. Внутри этого элемента при зарядке будет образовываться однородное электрическое поле.

Статическое распределение зарядов

Простейшая электростатическая (гомогенная) форма этого явления образуется двумя неподвижными заряженными частицами сферической формы и графически обозначается силовыми линиями, направленными от положительного заряда к отрицательному.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Суперпозиция полей

Закон Кулона и все вытекающие из него утверждения являются лишь основой другого, более крупного принципа – закона суперпозиции. Исходя из этого основного положения, силы, действующие на заряды, каждый из которых находится в определенной точке единой системы, представляют собой сумму сил, имеющих строгое направление и образованных отдельными группами зарядов по отдельности и действующих на заряды в конкретные моменты.

Принцип суперпозиции полей

В отличие от закона Кулона, принципа суперпозиции может быть недостаточно для некоторых квантовых явлений в электрическом поле.

Читайте также: Элегазовые выключатели: виды + правила и особенности эксплуатации

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжения. Если векторы напряженности одинаковы по абсолютной величине и в то же время направлены во все точки пространства, то электрическое поле однородно. В нем линии натяжения параллельны.

Примером может служить электрическое поле, образованное разноименными зарядами на участке плоских металлических пластин (см рис. 2).

Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, имеющие разную силу в разных точках. Их линии напряжения имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, т е система двух противоположных зарядов, влияющих друг на друга (см рис. 3).

Несмотря на то, что векторы напряженности электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, такое поле не является однородным. Вихревые поля имеют более сложную конфигурацию (рис. 4). Их неоднородность очевидна.

Рис. 3. Электрический диполь
Рис. 4. Вихревое поле

Характеристики

Основные характеристики:

• потенциал;
• напряжения;
• напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение между потенциальной энергией W, которой обладает пробный заряд q’ в данной точке, и ее значением. Выражение φ=W/q′ называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которое потенциально может быть использовано для совершения работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку условного нуля энергии, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается относительно данной точки. Его также 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 освобождении способна совершать определенную работу.

Единицей измерения потенциала является 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела потенциал в этой точке падает до 0: φ∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле одиночного заряда q действует с определенной силой F на точечный заряд образца, как бы далеко он ни находился. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжением и обозначается символом Е.

Напряжение является векторной величиной. Значение модуля вектора интенсивности: E=F/q′.

Линии электрического поля (известные как силовые линии) называются касательными, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов силы. Плотность силовых линий определяет величину напряжения.

Рис. 5. Электрическое поле с положительным и отрицательным вектором напряженности

Напряжение вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него определяется законом Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называются кулоновскими полями.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного — к центру (в сторону заряда). Направления векторов кулоновского поля можно увидеть на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжения положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа состоит в следующем: вектор напряженности нескольких зарядов можно представить в виде геометрической суммы напряженностей, создаваемых каждым отдельным зарядом, входящим в эту систему.

Для общего случая распределения затрат имеем:

Линии растяжения схематично показаны на рисунке 7. На изображении показаны линии, характерные для полей:

• электростатический;
• диполь;
• системы и одноименные заряды;
• однородное поле.

Рис. 7. Линии напряженности разных полей

Напряжение

Так как силы электрического поля способны совершать работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда движутся из точки с более высоким потенциалом в точку с более низким потенциалом. При этом часть энергии расходуется на совершение работы перемещения.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения элементарных носителей заряда) необходимо поддерживать на концах проводника разность потенциалов, которую также называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее ведется работа, тем сильнее течение в этой области. Функции поддержания разности потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрические поля. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или понюхать. Единственное, что может почувствовать человек, это выпрямление волос по линиям натяжения. Мы просто не замечаем наличие слабых влияний.

Обнаружить их можно при воздействии на мелкие кусочки бумаги, шарики бузины и т д. На электроскоп действует электрическое поле — лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Он всегда располагается вдоль линий натяжения.

Существуют высокочувствительные электронные устройства, которые легко обнаруживают наличие электростатических полей.

Сфера применения

Явление, описанное в данной статье, играет важную роль в таких областях, как медицина, химия и электротехника.

Использование в медицине

В медицине это явление используется для улучшения кровообращения, восстановления поврежденных тканей, точечного прогревания и повышения температуры тела.

Медицинский УВЧ обогреватель

Применение в химии

В химии это явление используется для разделения жидкостей различного состава, фильтрации воды и удаления растворенных в веществах примесей.

Электротехника

В электротехнике эта форма материи используется для беспроводной зарядки различных гаджетов (мобильных телефонов, планшетов) с помощью специального зарядного устройства, для определения наличия напряжения в проводах бесконтактным способом (индикаторные отвертки на полевом эффекте) транзисторы).

Возможности применения в будущем

Многие исследователи считают электрическое поле очень важным явлением, которое в будущем поможет совершить прорыв в телекоммуникационных технологиях, телепортации объектов на большие расстояния. В этих областях в настоящее время ведутся серьезные исследования и исследования.

Поняв, что такое электрическое поле, можно не только понять и объяснить окружающим суть, а также основные характеристики этого явления, но и получить много полезных знаний о том, где оно применяется, какие перспективы имеет в будущее.

Методы расчета электрического поля

Для расчета параметров используются различные аналитические или численные методы:

• сеточный или метод конечных разностей;
• метод соответствующих сборов;
• вариационные методы;
• расчеты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведенные в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создать источники тока.

На основе свойств электрических полей создано различное оборудование, используемое в медицине, химической промышленности и электротехнике. Разрабатываются устройства, которые используются для беспроводной передачи электроэнергии потребителю. Примером могут быть беспроводные зарядные устройства для гаджетов. Это только первые шаги на пути к передаче электроэнергии на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знанию свойств полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот метод оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы на полях. Обладая способностью электризовать объекты, находящиеся в зоне действия, электрические поля создают серьезные препятствия для нормальной работы электронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных схем и полевых транзисторов.