Как определить направление электрического поля. Напряжённость электрического поля и принцип суперпозиции

Как мы обнаруживаем любую силу или взаимодействие? По результату воздействия. Мы стукнули по мячу у мяча изменилась скорость. Земля притягивает нас мы не можем оттолкнуться ногами и улететь, а всегда приземляемся обратно. К сожалению:)

Так и с электрическим полем недостаточно просто знать, что оно есть, необходимо найти какую-то его характеристику, которая будет описывать результат его воздействия.

Мы знаем, что поле воздействует на заряд. Собственно, мы и можем обнаружить электрическое поле только по его действию на заряд. Соответственно, мы должны ввести величину, характеризующую силу этого воздействия.

Напряженность как характеристика электрического поля

При помещении в постоянное электрическое поле различных зарядов удалось обнаружить, что величина действия на заряд силы всегда прямо пропорциональна величине этого заряда.

По закону Кулона все верно. Ведь поле создается зарядом q_1, следовательно, при неизменной величине заряда q_1, созданное им поле будет действовать на помещенный в него заряд q_2 кулоновской силой, пропорциональной величине заряда q_2.

Поэтому отношение силы действия поля на помешенный в него заряд к этому заряду будет величиной, не зависящей от величины заряда, создающего это поле.

Такую величину можно рассматривать в качестве характеристики поля. Ее назвали напряженностью электрического поля:

где E напряженность электрического поля, F сила, действующая на точечный заряд, q помещенный в поле заряд.

Напряженность поля величина векторная, направлен вектор напряженности в любой точке поля всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и помещенный в поле заряд. Вектор напряженности всегда совпадает по направлению с вектором силы, действующей на заряд.

Принцип суперпозиции полей

Мы знаем, что если на тело действует несколько различных сил, направленных в разные стороны, то результирующая этих сил будет равна их геометрической сумме: F =F_1+F_2+...+F_n.

Направление воздействия этой силы находится по правилу сложения векторов. В случае, когда мы имеем заряд, находящийся в зоне действия нескольких электрических полей, то на него будут действовать несколько сил.

Величина и направление каждой отдельно взятой силы будет зависеть от напряженности каждого поля в отдельности. Результирующая же этих сил, как и в случае с телом, будет равна их геометрической сумме.

Логично предположить, что тогда и результирующая напряженность поля для нашего заряда будет складываться из напряженностей всех полей, присутствующих в этой точке. В этом суть принципа суперпозиции полей.

Этот принцип был подтвержден экспериментально: если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают электрические поля, напряженности которых E_1,E_2,…,E_n, то результирующая напряженность поля в этой точке равна сумме напряженностей этих полей.

12. Диэлектрики в эл.поле. Молекулы полярных и неполярных диэлектриков в эл.поле. Поляризация диэлектриков. Виды поляризации.

1. Полярные диэлектрики.

В отсутствии поля каждый из диполей обладает электрическим моментом, но вектора электрических моментов молекул расположены в пространстве хаотично и сумма проекций электрических моментов на любое направление равна нулю:

Если теперь диэлектрик поместить в электрическое поле (рис. 18), то на каждый диполь начнет действовать пара сил, которая создаст момент под действием которого диполь будет поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плечу, стремясь к конечному положению, когда вектор электрического момента будет параллелен вектору напряженности электрического поля. Последнему будет мешать тепловое движение молекул, внутреннее трение и т.д. и поэтому

электрические моменты диполей будут составлять некоторые углы с направлением вектора внешнего поля, но теперь уже у большего числа молекул будут составляющие проекции электрических моментов на направление, совпадающее, например, с напряженностью поля и сумма проекций всех электрических моментов уже будет отлична от нуля.

Величина, показывающая способность диэлектрика созда-вать большую или меньшую поляризацию, то есть харак-теризующая податливость диэлектрика к поляризации называется диэлектрической восприимчивостью или поляризуемостью диэлектрика ().

16. Поток вектора эл.индукции(однородного и неоднород-ного опля). Поток через замкнутую поверхность. Т.Гаусса для эл. Поля в среде.

Подобно потоку вектора напряженности можно ввести и понятие потока вектора индукции , оставив то же свойство, что и для напряженности-вектор индукции пропорционален числу линий, проходящих через единицу площади поверхности. Можно указать следующие свойства:

1.Поток через плоскую поверхность в однородном поле (рис. 22).В этом случае вектор индукции направлен по полю и поток линии индукции может быть выражен следующим образом:

2. Поток вектора индукции через поверхность в неоднородном поле подсчитывают путем разбиения поверхности на элементы столь малые, чтобы их можно было считать плоскими, а поле вблизи каждого элемента однородным. Полный поток вектора индукции будет равен:

3. Поток вектора индукции через замкнутую поверхность.

Рассмотрим поток вектора индукции пересекающего замкнутую поверхность (рис.23). Условимся направление внешних нормалей считать положительными. Тогда в тех точках поверхности, где вектор индукции направлен по касательной к линии индукции наружу, угол

и поток линий индукции будет положительным, а там, где вектор D индукции будет положительным, а там, где вектор D направлен внутрь поверхности, поток линий индукции будет отрицательным, т.к и .Таким образом общий поток линий индукции пронизывающих замкнутую поверхность насквозь равен нулю.

На основании теоремы Гаусса получаем, что внутри замкнутой поверхности, проведенной в проводнике, некомпенсированные электрические заряды отсутствуют. Это свойство сохраняется и в том случае, когда проводнику сообщен избыточный заряд

На противоположной стороне возникнет равный по величине, но положительный заряд. В результате внутри проводника возникнет индуцированное электрическое поле Е инд , направленное навстречу внешнему полю, которое будет расти до тех пор, пока оно не сравняется с внешним полем и таким образом результирующее поле внутри проводника становится равно нулю. Этот процесс происходит в течение очень короткого времени.

Индуцированные заряды располагаются на поверхности проводника в очень тонком слое.

Потенциал во всех точках проводника остается одинаков, т.е. внешняя поверхность проводника является эквипотенциальной.

Замкнутый полый проводник экранирует только поле внешних зарядов. Если электрические заряды находятся внутри полости, то индукционные заряды возникнут не только на внешней поверхности проводника, но и на внутренней и замкнутая проводящая полость уже не экранирует поле электрических зарядов помещенных внутрь ее.

. Напряженность поля вблизи проводника прямо пропорциональна поверхностной плотности заряда на нем.

Силы, действующие на дистанции, иногда называются силами поля. Если зарядить объект, то он создаст электрическое поле – область с изменившимися характеристиками, его окружающую. Произвольный заряд, попавший в зону электрического поля, будет подвергаться действию его сил. На эти силы влияют степень заряженности объекта и дистанция до него.

Png?.png 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-210x140..png 726w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Измерение напряженности ЭП

Силы и заряды

Допустим, имеется какой-то изначальный электрозаряд Q, создающий электрическое поле. Сила этого поля измеряется электрозарядом, пребывающим в непосредственной близости. Этот электрозаряд именуют тестовым, поскольку он служит в качестве испытательного при определении напряженности и слишком маленький для влияния на создаваемое ЭП.

Контрольный электрозаряд будет именоваться q и обладать каким-то количественным значением. Когда его помещают в электрическое поле, он подвергается действующим притягивающим или отталкивающим силам F.

В качестве формулы напряженности электрического поля, обозначенной латинской буквой E , служит математическая запись:

Сила измеряется в ньютонах (Н), заряд – в кулонах (Кл). Соответственно, для напряженности используется единица – Н/Кл.

Другой часто используемой на практике единицей для однородных ЭП служит В/м. Это следствие формулы:

То есть E зависит от напряжения ЭП (разности потенциалов между двумя его точками) и расстояния.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-9-768x474..jpg 120w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-9.jpg 960w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Напряженность ЭП

Зависит ли напряженность от количественного значения электрозаряда? Из формулы можно видеть, что увеличение q влечет уменьшение Е. Но согласно закону Кулона, больший заряд также означает большую электрическую силу. Например, двукратное увеличение электрозаряда вызовет двукратное увеличение F. Следовательно, изменения напряженности не произойдет.

Важно! На напряженность ЭП не влияет количественный показатель испытательного заряда.

Как направлен вектор электрического поля

Для векторной величины обязательно применяется две характеристики: количественное значение и направление. На изначальный заряд действует сила, направленная к нему либо в противоположную сторону. Выбор достоверного направления определяется зарядным знаком. Чтобы разрешить вопрос, в какую сторону направляются линии напряженности, было принято направление силы F, воздействующей на положительный электрозаряд.

Важно! Линии напряженности поля, созданного электрозарядом, направлены от заряда со знаком «плюс» к заряду со знаком «минус». Если вообразить произвольный плюсовой исходный заряд, то линии будут выходить из него во все стороны. Для минусового заряда наблюдается наоборот вхождение силовых линий со всех окружающих сторон.

Наглядное отображение векторных величин ЭП производится посредством силовых линий. Смоделированный образец ЭП может состоять из бесконечного числа линий, которые располагаются по определенным правилам, дающим как можно больше информации о характере ЭП.

Gif?.gif 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-768x576.gif 768w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Линии и вектора напряженности ЭП

Правила вычерчивания силовых линий:

1. Сильнейшим электрическим полем обладают электрозаряды большей величины. На схематическом рисунке это может быть показано увеличением частоты линий;
2. В областях соединения с поверхностью объекта линии всегда ей перпендикулярны. На поверхности объектов правильной и неправильной формы никогда не существует электрической силы, параллельной ей. При существовании такой силы любой избыточный заряд на поверхности начал бы движение, и возник бы электрический ток внутри объекта, что никогда не бывает в статическом электричестве;
3. При покидании поверхности объекта сила может менять направление из-за влияния ЭП других зарядов;
4. Электрические линии не должны пересекаться. Если они пересекаются в какой-то точке пространства, тогда в этом пункте должно существовать два ЭП с собственным индивидуальным направлением. Это невыполнимое условие, так как каждое место ЭП имеет свою напряженность и направление, с ним связанное.

Силовые линии для конденсатора будут идти перпендикулярно пластинам, но у краев приобретать выпуклость. Это свидетельствует о нарушении однородности ЭП.

Учитывая условие о положительном электрозаряде, можно определиться с направлением вектора напряженности электрического поля. Этот вектор направлен в сторону силы, действующей на электрозаряд со знаком «плюс». В ситуациях, когда ЭП создается несколькими электрозарядами, вектор находится как результат геометрического суммирования всех сил, воздействиям которых подвержен испытательный заряд.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-9.jpg 750w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Построение результирующего вектора напряженности

В то же время под линиями напряженности электрического поля понимается совокупность линий в зоне действия ЭП, касательными к которым будут в любом произвольном пункте векторы Е.

Если создается ЭП от двух и более зарядов, появляются линии, окружающие их конфигурацию. Такие построения являются громоздкими и выполняются с помощью компьютерной графики. При решении практических задач используется результирующий вектор напряженности электрического поля для заданных точек.

Закон Кулона

Закон Кулона определяет электрическую силу:

F = (K x q x Q)/r², где:

• F – электрическая сила, направленная по линии между двумя электрозарядами;
• К – постоянная пропорциональности;
• q и Q – количественные величины зарядов (Кл);
• r – дистанция между ними.

Постоянную пропорциональность находят из соотношения:

K = 1/(4π x ε).

Величина постоянной зависит от среды, в которой располагаются заряды (диэлектрическая проницаемость).

Тогда F =1/(4π x ε) х (q x Q)/r² .

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/5-4.jpg 640w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Закон Кулона

Закон действует в природной среде. Для теоретического расчета изначально предполагается, что электрозаряды находятся в свободном пространстве (вакууме). Тогда значение ε = 8,85 х 10(в -12 степени), а K = 1/(4π x ε) = 9 х 10(в 9 степени).

Важно! Формулы, описывающие ситуации, где есть сферическая симметрия (большинство случаев), имеют в своем составе 4π. Если имеется цилиндрическая симметрия, появляется 2π.

Чтобы вычислить модуль напряженности, нужно подставить в формулу для Е математическое выражение закона Кулона:

E = F/q = 1/(4π x ε) х (q x Q)/(r² x q) = 1/(4π x ε) х Q/r²,

где Q – исходный заряд, создающий ЭП.

Чтобы найти напряженность ЭП в конкретной точке, надо разместить в этой точке пробный заряд, определить дистанцию до него и вычислить E по формуле.

Закон обратных квадратов

В формульном отображении закона Кулона дистанция между электрозарядами появляется в уравнении как 1/r². Значит, будет справедливым применение закона обратных квадратов. Другим известным таким законом является закон гравитации Ньютона.

С помощью линий напряженности или силовых линий можно наглядно изобразить электростатическое поле. Силовые линии – кривые, касательные в каждой точке, которые совпадают с направлением вектора напряженности Е.

Силовые линии понятие условное и в реальности они не существуют.

Силовые линии положительного и отрицательного одиночных зарядов изображены на рисунке ниже:

Так как в качестве пробного заряда, используемого использовался положительный заряд, то при внесении в его поле еще одного положительного заряда их силы будут направлены в сторону от заряда. Поэтому считается, что силовые линии «исходят» от положительного и «входят» в отрицательный.

Если рассматривать электростатическое поле, образованное несколькими неподвижными зарядами, то силовые линии могут иметь самую различную конфигурацию. По совокупности силовых линий можно судить об изменении величины вектора Е в пространстве и его направлении, что характеризует конфигурацию (строение) электрического поля.

Электростатическое поле считают однородным в случае, когда направленность и густота силовых линий по всему объему поля являются неизменными. Графически это изображается равноотстоящими друг от друга прямыми параллельными линиями.

Внутри области, у которой нет особых точек (в которых напряженность равна нулю) и не имеющей границы двух диэлектриков, электрические силовые линии представлены плавными кривыми, не имеющими разветвлений или изломов, не пересекающихся, а через каждую точку поля возможно провести не более одной силовой линии.

В случае, если количество силовых линий численно равно напряженности Е, они будут характеризовать не только направление поля, но и его напряженность. Количество линий подсчитывается на поверхности, расположенной перпендикулярно к каждой силовой линии. Данная площадка будет частью шаровой поверхности в случае единичного заряда.

Поток вектора напряженности электростатического поля – это количество силовых линий N E , которые пронизывают площадь S, перпендикулярно к ним.

В общем случае поток вектора напряженности через площадь S равен:

Где E n – проекция вектора Е на нормаль n к поверхности.

В случае плоской поверхности и однородного поля поток вектора Е через площадь S или же ее проекцию S / будет равен:

Где α – угол между нормалью n и векторами Е к поверхности S.

Например, необходимо определить напряженность в точке, лежащей на границе двух сред: воды (ε = 81) и воздуха (ε ≈ 1). В данной точке (точке перехода из воздуха в воду) напряженность электростатического поля уменьшается в 81 раз. В аналогичное количество раз уменьшится и поток вектора напряженности. При решении задач расчета полей на стыках различных сред прерывность вектора Е вызывает определенные неудобства. Для упрощения расчетов вводят новый вектор D, который называют вектором электрического смещения (вектор индукции) . Численно он равен.