Характеристики електричного поля

У статті описані основні характеристики електронного поля: потенціал, напруга і напруженість.

Що таке електронне поле

Для того, щоб зробити електронне поле, потрібно зробити електронний заряд. Характеристики місця навколо зарядів (заряджених тіл) відрізняються від параметрів місця, в якому немає зарядів. При цьому характеристики місця при внесенні до нього електричного заряду змінюються не одномоментно: зміна починається у заряду і з певною швидкістю поширюється від однієї точки місця до іншого.

У просторі, що містить заряд, з`являються механічні сили, що діють на інші заряди, внесені в це місце. Ці сили є результат досягнуто не конкретного діяння 1-го заряду на інший, а діяння через чудово змінилася середу.

Місце, що оточує електронні заряди, в якому з`являються сили, що діють на внесення в нього електронні заряди, називається електронним полем.

Заряд, що знаходиться в електронному поле, рухається у напрямку сили, що діє на нього з боку поля. Стан спокою такого заряду може бути тільки тоді, коли до заряду прикладена будь-яка зовнішня (стороння) сила, що врівноважує силу електричного поля.

Як порушується рівновага між сторонньої силою і силою поля, заряд знову починає рухатися. Напрямок його руху завжди збігається з напрямком більшої сили.

Для наочності електронне поле прийнято зображати так званими силовими лініями електричного поля. Ці смуги збігаються з напрямом сил, що діють в електронному поле. При цьому домовилися проводити стільки ліній, щоб їх число на кожен 1 см2 майданчика, встановленого перпендикулярно до ліній, було пропорційно силі поля у відповідній точці.

За направлення поля умовно прийнято напрямок сили поля, що діє на позитивний заряд, поміщений в дане поле. Позитивний заряд відштовхується від позитивних зарядів і притягується до негативних. Отже, поле орієнтоване від позитивних зарядів до негативних.

Напрямок силових ліній позначається на кресленнях стрілками. Наукою підтверджено, що силові лінії електричного поля мають початок і кінець, т. Е. Вони не замкнуті самі на себе. Виходячи із прийнятого напрямку поля, встановлюємо, що силові лінії починаються на позитивних зарядах (позитивно заряджених тілах) і завершуються на негативних.

Мал. 1. Приклади зображення електричного поля за допомогою силових ліній: а - електронне поле одиночного позитивного заряду, б - електронне поле одиночного негативного заряду, в - електронне поле 2-ух різнойменних зарядів, г - електронне поле 2-ух однойменних зарядів

На рис. 1 показані приклади електронного поля, зображеного за допомогою силових ліній. Необхідно пам`ятати, що силові лінії електричного поля - це тільки метод графічного зображення поля. Більшого змісту в поняття силової лінії тут не вкладається.

закон Кулона

Сила взаємодії 2-ух зарядів залежить від величини і взаємного розташування зарядів, також від фізичних параметрів навколишнього середовища.

Для 2-ух наелектризованих фізичних тіл, розміри яких нехтує малі в порівнянні з відстанню між тілами, квола взаємодії математично визначається наступним чином:

де F - сила взаємодії зарядів в ньютонах (Н), k - відстань між зарядами в метрах (м), Q1 і Q2 - величини електронних зарядів в кулонах (к), k - коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від параметрів середовища, навколишнього заряди.

Наведена формула читається так: сила взаємодії між 2-ма точковими зарядами прямо пропорційна добутку величин цих зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними (закон Кулона).

Для визначення коефіцієнта пропорційності k служить вираз k = 1 / (4πεεо).

Потенціал електричного поля

Електронне поле завжди доповідає рух заряду, якщо сили поля, що діють на заряд, що не врівноважуються будь-якими сторонніми силами. Це свідчить про те, що електричне поле володіє потенційною енергією, т. Е. Здатністю здійснювати роботу.

Переміщаючи заряд з однієї точки місця в іншу, електронне поле здійснює роботу, в результаті чого запас потенційної енергії поля зменшується. Якщо заряд переміщається в електронному поле під дією якоїсь сторонньої сили, що діє назустріч силам поля, то робота відбувається не силами електричного поля, а сторонніми силами. В даному випадку потенційна енергія поля не тільки не зменшується, а, навпаки, зростає.

Робота, яку здійснює стороння сила, переміщаючи в електронному поле заряд, пропорційна величині сил поля, що протидіють цьому переміщенню. Чинена при цьому сторонніми силами робота стовідсотково витрачається на підвищення потенційної енергії поля. Для властивості поля з боку його потенційної енергії прийнята величина, звана потенціалом електричного поля.

Суть цієї величини полягає в наступному. Уявімо, що позитивний заряд знаходиться за межами даного електронного поля. Це означає, що поле фактично не діє на даний заряд. Нехай стороння сила заносить цей заряд в електричне поле і, долаючи опір руху, який чиниться силами поля, перемістить заряд в дану точку поля. Робота, що здійснюються силою, а значить, і величина, на яку зросла потенційна енергія поля, залежить цілком від параметрів поля. Отже, ця робота може характеризувати енергію даного електронного поля.

Енергія електричного поля, віднесена до одиниці позитивного заряду, поміщеного в дану точку поля, і іменується потенціалом поля в даній його точці.

Якщо потенціал позначити буквою φ, заряд - буквою q і витрачену на переміщення заряду роботу - W, то потенціал поля в даній точці виразиться формулою φ = W / q.

Зі сказаного випливає, що потенціал електричного поля в даній його точці чисельно дорівнює роботі, яку здійснюють сторонньої силою при переміщенні одиниці позитивного заряду з-за меж поля в дану точку. Потенціал поля вимірюється в вольтах (В). Якщо при перенесенні 1-го кулона електрики із-за меж поля в дану точку сторонні сили зробили роботу, рівну одному джоулю, то потенціал в даній точці поля дорівнює одному вольт: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напруга електричного поля

У будь-якому електронному поле позитивні заряди пересуваються від точок з більш високим потенціалом до точок з потенціалом більш низьким. Негативні заряди пересуваються, навпаки, від точок з найменшим потенціалом до точок з величезним потенціалом. B обох випадках робота здійснюється за рахунок потенційної енергії електричного поля.

Якщо нам відома ця робота, т. Е. Величина, на яку зменшилася потенційна енергія поля при переміщенні позитивного заряду q з точки 1 поля в точку 2, то просто відшукати напруга між цими точками поля U1,2:

U1,2 = A / q,

де А - робота сил поля при перенесенні заряду q з точки 1 в точку 2. Напруга між 2-ма точками електричного поля чисельно дорівнює роботі, яку здійснює нулі для перенесення одиниці позитивного заряду з однієї точки поля в іншу.

Як видно, напруга між 2-ма точками поля і різниця потенціалів між цими ж точками є одну і ту ж фізичну суть. Тому визначення напруга і різниця потенціалів сутність одне і те ж. Напруга вимірюється в вольтах (В).

Напруга між 2-ма точками дорівнює одному вольт, якщо при перенесенні 1-го кулона електрики з однієї точки поля в іншу сили поля здійснюють роботу, рівну одному джоулю: 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон

Напруженість електричного поля

Із закону Кулона випливає, що величина сили електричного поля даного заряду, що діє на поміщений в цьому полі інший заряд, не у всіх точках поля схожа. Характеризувати електронне поле в кожній його точці можна величиною сили, з якою воно діє на одиничний позитивний заряд, поміщений в даній точці.

Знаючи цю величину, можна знайти силу F, що діє на будь-якій заряд Q. Можна написати, що F = Q х Е, де F - сила, що діє з боку електричного поля на заряд Q, поміщений в дану точку поля, Е - сила, діюча на одиничний позитивний заряд, поміщений в цю ж точку поля. Величина Е, чисельно рівна силі, яку відчуває одиничний позитивний заряд в даній точці поля, називається напруженістю електричного поля.