Властивості і основні характеристики електричних полів

Властивості і характеристики електричного поля вивчають майже всі технічні фахівці. Але університетський курс часто буває написаний складним і незрозумілою мовою. Тому в рамках статті є будуть описані характеристики електричних полів, щоб в них міг розібратися кожна людина. Крім цього, окрему увагу ми приділимо взаємопов`язаним поняттями (суперпозиція) і можливостям розвитку даної сфери фізики.

Загальна інформація

Відповідно до сучасних уявлень, електричні заряди між собою не взаємодіють безпосередньо. З цього випливає цікава особливість. Так, кожне заряджене тіло має своє електричне поле в навколишньому просторі. Воно впливає на інші суб`єкти. Характеристики електричних полів представляють для нас той інтерес, що вони показують вплив поля на електричні заряди і силу, з якою воно здійснюється. Який з цього можна зробити висновок? Заряджені тіла не роблять взаємного безпосереднього впливу. Для цього використовуються електричні поля. Як їх можна досліджувати? Для цього можна скористатися пробним зарядом - невеликим точковим пучком частинок, що не зробить помітного впливу на сформовану структуру. Так які величини є характеристиками електричного поля? Всього їх три: напруженість, напруга і потенціал. Кожна з них має свої особливості і сфери впливу на частинки.

Електричне поле: що це таке?

Але перш ніж переходити до основного предмету статті, необхідно мати певний багаж знань. Якщо вони є, то цю частину можна впевнено припустити. Спочатку давайте розглянемо питання причини існування електричного поля. Для того щоб воно було, необхідний заряд. Причому властивості простору, в якому перебуває заряджене тіло, має відрізнятися від тих, де його немає. Тут є така особливість: якщо в певну систему координат помістити заряд, то зміни відбудуться не миттєво, а тільки з певною швидкістю. Вони будуть, як хвиля, поширюватися в просторі. Це буде супроводжуватися появою механічних сил, що діють на інші носії в цій системі координат. І тут ми підходимо до головного! Виникаючі сили є результатом не безпосереднього впливу, а взаємодії через середовище, яке якісно змінилася. Простір, в якому і відбуваються подібні зміни, і називається електричним полем.

Особливості

Заряд, розташований в електричному полі, рухається в напрямку сили, що діє на нього. Чи є можливим досягнення стану спокою? Так, це цілком реально. Але для цього силу електричного поля має врівноважувати якесь інше вплив. Як тільки відбувається порушення рівноваги, заряд знову починає рухатися. Напрямок в даному випадку буде залежати від більшої сили. Хоча якщо їх багато - кінцевий результат буде чимось збалансованим і універсальним. Щоб краще представляти, з чим доводиться працювати, зображують силові лінії. Їх напрямки відповідають діючим силам. Слід зазначити, що силові лінії мають і початком, і кінцем. Іншими словами, вони не замикаються на собі. Починаються вони на позитивно заряджених тілах, а закінчуються на негативних. Це не все, більш детально про силових лініях, їх теоретичної підгрунтя та практичної реалізації ми поговоримо трохи далі по тексту і розглянемо їх разом з законом Кулона.

Відео: 2.1. Основні характеристики магнітного поля

Напруженість електричного поля

Ця характеристика використовується для того, щоб кількісно визначити електричне поле. Це досить складно для розуміння. Ця характеристика електричного поля (напруженість) є фізичною величиною, рівною відношенню сили дії на позитивний пробний заряд, що розміщений в певній точці простору, до його величини. Тут є один особливий аспект. ця фізична величина є векторної. Її напрямок збігається з напрямком сили, яка діє на позитивний пробний заряд. Також слід відповісти на один дуже поширений питання і відзначити, що силовий характеристикою електричного поля є саме напруженість. А що відбувається з нерухомими і не мінливими суб`єктами? Їх електричне поле вважається електростатичним. При роботі з точковим зарядом і дослідженні напруженості інтерес надають силові лінії і закон Кулона. Які особливості тут існують?

Відео: Напруженість електричного поля - bezbotvy

закон Кулона і силові лінії

Силова характеристика електричного поля в цьому випадку працює тільки для точкового заряду, що знаходиться на відстані певного радіусу від нього. А якщо взяти це значення по модулю, то у нас буде кулоновское поле. У ньому напрямок вектора безпосередньо залежить від знака заряду. Так, якщо він є плюсовим, то поле буде «пересуватися» по радіусу. У протилежній ситуації вектор буде спрямований безпосередньо до самого заряду. Для наочного розуміння того, що і як відбувається, можна знайти і ознайомитися з малюнками, де зображені силові лінії. Основні характеристики електричного поля в підручниках хоча і досить складно пояснюються, але малюнки, слід їм віддати належне, в них якісні. Правда слід зазначити таку особливість книг: при побудові малюнків силових ліній їх густота є пропорційною модулю вектора напруженості. Ця невелика підказка, яка може надати дуже істотну допомогу при контролі знань або іспиті.

Відео: Напруженість електричного поля

потенціал

Заряд завжди рухається, коли немає врівноваження сил. Це говорить нам про те, що в такому випадку електричне поле володіє потенційною енергією. Іншими словами - воно може здійснювати якусь роботу. Давайте розглянемо невеликий приклад. Електричне поле перемістило заряд з точки А в Б. Як результат, спостерігається зменшення потенційної енергії поля. Це відбувається через те, що була здійснена робота. Ця силова характеристика електричного поля не зміниться, якщо переміщення було скоєно під стороннім впливом. В такому випадку потенціальна енергія буде не зменшуватися, а збільшуватися. Причому дана фізична характеристика електричного поля зміниться прямо пропорційно доданої сторонньої силі, що перемістила заряд в електричному полі. Слід зазначити, що в цьому випадку вся здійснюються робота буде витрачена на збільшення потенційної енергії. Для розуміння теми давайте розберемо наступний приклад. Отже, у нас є позитивний заряд. Він розташований за межами електричного поля, що розглядається. Завдяки цьому вплив настільки мало, що його можна проігнорувати. Виникає стороння сила, що вносить заряд в електричне поле. Нею ж відбувається робота, необхідна для переміщення. При цьому долаються сили поля. Таким чином, виникає потенціал дій, але вже в самому електричному полі. Слід зазначити, що це може бути неоднорідний показник. Так, енергія, що відноситься до кожної конкретної одиниці позитивного заряду, називається потенціалом поля в цій точці. Він чисельно дорівнює роботі, яка була здійснена сторонньої силою для переміщення суб`єкта до даного місця. Потенціал поля вимірюють у вольтах.

Відео: 28.01-1 Робота електричного поля. Потенціал. Електрична напруга

напруга

У будь-якому електричному полі можна спостерігати, як позитивні заряди «мігрують» від точок з високим потенціалом до тих, що мають низькі показники даного параметра. Негативні слідують цим шляхом в зворотному напрямку. Але в обох випадках це відбувається тільки завдяки наявності потенційної енергії. З неї вираховується напруга. Для цього необхідно знати величину, на яку стала меншою потенційна енергія поля. Напруга ж чисельно дорівнює роботі, яка була здійснена для перенесення позитивного заряду між двома конкретними точками. З цього можна помітити цікаве відповідність. Так, напруга і різниця потенціалів в даному випадку є однією і тією ж фізичною суттю.

Суперпозиція електричних полів

Отже, нами були розглянуті основні характеристики електричного поля. Але щоб краще розбиратися в темі, пропонуємо додатково розглянути ще ряд параметрів, які можуть мати важливість. І почнемо ми з суперпозиції електричних полів. Раніше нами розглядалися ситуації, за умовою яких був тільки один певний заряд. Але ж в полях їх величезна кількість! Тому, розглядаючи наближену до реальності ситуацію, давайте уявимо, що у нас є кілька зарядів. Тоді виходить, що на пробний суб`єкт діятимуть сили, які підкоряються правилу додавання векторів. також принцип суперпозиції говорить про те, що складний рух піддається поділу на два або більшу кількість простих. Розробляти реалістичну модель руху неможливо без урахування суперпозиції. Іншими словами, на розглянуту нами частку в існуючих умовах впливають різні заряди, кожен з яких має своє електричне поле.

Використання

Слід зазначити, що зараз можливості електричного поля використовуються не на повну силу. Навіть, правильніше сказати, його потенціал нами майже не застосовується. В якості практичної реалізації можливостей електричного поля можна привести люстру Чижевського. Раніше, в середині минулого століття, людство почало освоювати космос. Але перед вченими стояло багато невирішених питань. Один з них - це повітря і шкідливі його компоненти. За рішення цієї проблеми взявся радянський вчений Чижевський, якого одночасно цікавила енергетична характеристика електричного поля. І слід зазначити, що у нього вийшло дійсно хороша розробка. В основу цього приладу була покладена техніка створення аероіонів потоків повітря завдяки невеликим розрядами. Але в рамках статті нас цікавить не стільки сам пристрій, як принцип його роботи. Справа в тому, що для функціонування люстри Чижевського використовувався не стаціонарний джерело живлення, а саме електричне поле! Для концентрації енергії використовувалися спеціальні конденсатори. Значно на успішність роботи приладу впливала енергетична характеристика електричного поля навколишнього оточення. Тобто це пристрій розроблявся спеціально для космічних кораблів, які буквально напхані електронікою. Харчувалося ж воно від результатів діяльності інших приладів, підключених до постійних джерел живлення. Слід зазначити, що напрямок не було закинуто, і можливість брати енергію від електричного поля досліджується і зараз. Правда, необхідно відзначити, що значних успіхів поки що досягти не вдалося. Також необхідно відзначити і відносно невелику масштабність проведених досліджень, і те, що більшу частину їх при цьому виконують винахідники-добровольці.

На що впливають характеристики електричних полів?

Навіщо необхідно їх вивчати? Як вже говорилося раніше, характеристиками електричного поля є напруженість, напруга і потенціал. У житті звичайного рядового людини ці параметри не можуть похвалитися значним впливом. Але коли виникають питання про те, що слід зробити щось велике і складне, то не враховувати їх - недозволена розкіш. Справа в тому, що зайва кількість електронних полів (або їх надмірна сила) призводить до того, що виникають перешкоди при передачі сигналів технікою. Це веде до спотворення переданої інформації. Слід зазначити, що це не єдина проблема даного типу. Крім білих шумів техніки, зайве сильні електронні поля можуть негативно впливати і на роботу людського організму. Слід зазначити, що невелика іонізація приміщення все ж вважається благом, оскільки сприяє осіданню пилу на поверхнях людського житла. Але якщо подивитися, скільки всілякої техніки (холодильники, телевізори, бойлери, телефони, системи електроенергії і так далі) є в наших будинках, то можна зробити висновок, що це, на жаль, не корисно для нашого здоров`я. Слід зазначити, що низькі показники електричних полів нам майже не шкодять, оскільки до космічного випромінювання людство вже давно звикло. Але ось щодо електроніки так складно сказати. Звичайно, відмовитися від усього цього не вийде, але можна успішно мінімізувати негативний вплив електричних полів на людський організм. Для цього, до речі, досить застосовувати принципи енергетично ефективного використання техніки, які передбачають мінімізацію часу роботи механізмів.

висновок

Ми розглянули, яка фізична величина є характеристикою електричного поля, де що використовується, який потенціал розробок і застосування їх в повсякденному житті. Але все ж хочеться додати трохи заключних слів про розглянутої теми. Слід зазначити, що ними цікавилося досить велика кількість людей. Один з найбільш помітних слідів в історії залишив відомий сербський винахідник Микола Тесла. Йому в цьому вдалося досягти чималих успіхів щодо реалізації задуманого, але, на жаль, не в плані енергетичної ефективності. Тому, якщо є бажання попрацювати в цьому напрямку - невідкритих можливостей дуже багато.