Поняття про електричне поле та його прояви. Основні поняття про електричне поле

Електричне поле- це особлива формаматерії, з якої здійснюється взаємодія електрично заряджених частинок.

Введення поняття електричного полязнадобилося пояснення взаємодії електричних зарядів , т. е. отримання відповіді питання: чому виникають сили , які діють заряди, і як вони передаються від однієї заряду до іншого?

Поняття електричного та магнітного полів запровадив великий англійський фізик Майкл Фарадей. Згідно ідеї Фарадея, електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожен із них створює в навколишньому просторі електричне поле. Поле одного заряду діє інший заряд, і навпаки. У міру віддалення від заряду поле слабшає.

Із запровадженням поняття поля у фізиці утвердилася теорія близькодії, Головною відмінністю якої від теорії далекодії є ідея про існування певного процесу у просторі між взаємодіючими тілами, що триває кінцевий час.

Ідея ця отримала підтвердження у роботах великого англійського фізика Дж. К. Максвелла, який теоретично довів, що електромагнітні взаємодіїповинні поширюватися у просторі з кінцевою швидкістю —з, що дорівнює швидкості світла у вакуумі (300 000 км/с). Екс-периментальним доказом цього твердження став винахід радіо.

Електричне поле виникає в просторі, що оточує нерухомий заряд, так само, як навколо зарядів, що рухаються - струмів або постійних магнітів- З'являється магнітне поле. Магнітні та електричні поля можуть перетворюватися один на одного, утворюючи єдине електромагнітне поле. Електричне поле (як і магнітне) є лише окремим випадком загального електромагнітного поля. Змінні електричні та магнітні поля можуть існувати і без зарядів і струмів, що їх породили. Електромагнітне поле переносить певну енергію, а також імпульс та масу. Таким чином, електромагнітне поле - фізична сутність, що володіє певними фізичними властивостями.

Отже, природа електричного поляполягає в наступному:

1. Електричне поле матеріальне, воно існує незалежно від нашої свідомості.

2. Головною властивістю електричного поляє його вплив на електричні заряди з деякою силою. З цієї дії встановлюється факт існування. Дія поля на одиничний заряд напруженість поля— є однією з його основних характеристик, за якою вивчається розподіл поля у просторі.

Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним. Згодом воно не змінюється, нерозривно пов'язане із зарядами, що його породили, і існує в просторі, що їх оточує.

Е електричне поле– це вид матерії, що утворюється навколо заряджених тіл, з якого вони взаємодіють друг з одним.
Сила взаємодії двох точкових зарядів визначається законом Кулона: F = k · q 1 · q 2 / r 2 . При цьому якщо заряджені тіла мають однакові заряди, то вони відштовхуються один від одного, а різноіменні – притягуються. Заряджені тіла взаємодіють один з одним за допомогою їх електричних полів.

Вирізняють такі характеристики електричного поля:
1. Силова характеристика – напруженістьелектричного поля – це сила, яка діє одиницю заряду, поміщеного у це електричне полі: E = F/q . Вимірюється в [В/м]
Якщо певний точковий заряд Qутворює електричне поле, то напруженість цього поля в точці, що знаходиться на відстані rвід заряду обчислюється за формулою: E = Q/(4πε 0 εr 2) де Q- Заряд, що утворює це електричне поле; ε 0 = 8,84 * 10 -12 Ф / м - електрична постійна; ε- електрична проникність середовища, в якому утворюється поле; r-відстань від точкового заряду до точки, у якій досліджується напруженість.
За напрямок напруженості приймають напрямок сили, що діє на позитивний заряд.
Розмір напруженості електричного поля графічно зображується як силових ліній – тих ліній, напрям дотичних до яких у будь-якій точці збігаються з напрямом напруженості електричного поля. Чим більше ліній – тим більша напруженість.
2. Енергетична характеристика електричного поля – потенціал.
У кожній точці електричного поля на внесений у це поле заряд діє певна сила. При переміщенні заряду в електричному полі відбуватиметься робота. При цьому кожна точка електричного поля характеризуватиметься потенціалом.
Потенціал поля у цій точці– це потенціальна енергіяелектричного поля в цій точці, що припадає на одиницю поміщеного в цю точку заряду: φ = W p /q [В] Потенціал поля характеризує можливу роботу, яку виконує електричне поле або яка здійснюється над електричним полем при переміщенні цього заряду в точку з іншим потенціалом: Δφ = A/q.
Оскільки робота буде здійснюватися тільки при переміщенні заряду між точками, що мають неоднакові потенціали, то фізичний сенсмає лише різницю потенціалів, або напругаміж двома точками електричного поля Тому, коли вживають термін "потенціал", мають на увазі різницю потенціалів між даною точкою, потенціал якої вимірюють, і нескінченно віддаленою точкоюпростору, потенціал якого можна вважати рівним 0. При цьому потенціал у даній точці поля, створеного точковим зарядом Q, дорівнює: φ = Q/(4πε 0 εγ) і, якщо потенціал створюється великою кількістю зарядів, то φ = ∑φ.
Тільки різницю потенціалів можна виміряти з допомогою вольтметра. Вважають, що напруженість електричного поля є негативним градієнтом потенціалу.

2. Дія електричного поля на речовини

Дія електричного поля на різні речовининеоднаково і залежить від них внутрішньої будови. З цієї дії всі речовини поділяють на:
- Провідники електричного струму
- напівпровідники
- ізолятори, або діелектрики.
Провідники характеризуються тим, що у них під дією електричного поля утворюється електричний струм- Спрямований рух заряджених частинок. Це відбувається тому, що у провідниках є вільні заряди. Існують провідники 1 роду (метали, в яких є вільні електрони) та 2 роди (розчини електролітів, у яких вільними зарядами є позитивно заряджені іони – катіони та негативно заряджені іони – аніони).
Напівпровідники за нормальної температури мають мало вільних зарядів. Причому, коли електрони в напівпровідниках стають вільними, то на їх місці утворюється дірка - надлишок. позитивного заряду. Тому носіями заряду в напівпровідниках є електрони та дірки.
У діелектриках немає вільних носіївзарядів, тому під дією електричного поля в них не виникає електричного струму, але виникає явище, яке називається поляризацією діелектрика– придбання діелектриком полярності рахунок поділу у ньому позитивних і негативних зарядів під впливом електричного поля. Поляризація існує у 3 варіантах: орієнтаційна, електронна та іонна.
Зазначені відмінності добре описуються зонною теорією твердих тіл, або квантовою теорієюенергетичного спектру електронів у кристалі. Відповідно до теорії в кристалі існують заборонені та дозволені енергетичні зони для електронів. Нижні зони заповнені повністю електронів. Фізичні властивостікристалів визначаються верхніми зонами, що містять електрони. Якщо між верхньою зоною і наступною дозволеною зоною заборонена вузька зона (енергетичний інтервал невеликий), то речовина є провідником, а якщо заборонена зона велика – то діелектриком.

3. Електричний струм

Основною характеристикою електричного струму є

- Кількість заряду, що перетинає поперечний переріз провідника за одиницю часу. I

= Δq/Δt або для миттєвої сили струму: I

Dq/dt. Одиницею вимірювання сили струму є ампер (

). 1 ампер – сила струму, коли 1 кулон заряд проходить через поперечний переріз провідника за 1 секунду. Часто використовують міліампер (

Зазвичай напрям електричного струму в провіднику приймають напрям руху позитивних зарядів.

Інший величиною, що характеризує електричний струм, є щільність струму - Сила струму, що припадає на одиницю площі провідника. Вимірюється в амперах на квадратний метр: J = I/S.

Розрізняють:
- Постійний струм – електричний струм, параметри якого (сила та напрямок) не змінюються у часі. Джерелами постійного струму є генератори, що підтримують постійну різницю потенціалів на кінцях провідника.
- П ременний струм -електричний струм, параметри якого змінюються у часі згідно із законом синуса чи косинуса. Електричний струм, що передається в споживчій електромережі, є синусоїдальним коливанням частотою 50 Гц: I = I max · cos (ωt + φ 0).
Основним законом, який описує постійний електричний струм, є закон Ома : сила струму у провіднику прямо пропорційна різниці потенціалів між його кінцями, або електричної напруги (U): I = U/R.
Величина Rназивається електричним опором. Опір є властивістю провідників перешкоджати проходженню через нього електричного струму, при цьому електрична енергія перетворюється на теплову енергію. Опір виникає через зіткнення заряджених частинок (носіїв струму) із внутрішніми структурами провідника – атомами та молекулами. Одиницею виміру опору є Ом. Зворотна величина опору називається електричною електропровідністю (D).
Для багатьох речовин опір є постійною величиною, незалежно від сили струму. Опір провідника є функцією його розміру, форми, будови та температури. Величина опору дроту: R = ρ(1/S) (5)
, де l- Довжина провідника, S- площа поперечного перерізупровідника. Константа прямої пропорційності ρ називається питомим опором [ом · м]. Вона залежить лише від властивостей речовини та температури. Зворотною величиною питомого опорує питома електропровідність (γ ) [ом -1 · м -1] .
На основі питомої електропровідності характеризують властивість речовин проводити електричний струм. Хороші провідники струму мають високу питому електропровідність. Ізолятори, або діелектрики, мають низьку питому електропровідність. Напівпровідники мають проміжну питому електропровідність. Використовуючи питому електропровідність як характеристику речовини, можна представити закон Ома в іншій формі: J = γ E.
З формули випливає, що щільність струму у провіднику прямо пропорційна напруженості електричного поля (Е), що створює цей струм, та питомої електропровідності речовини провідника ( γ ).

Питома електропровідність електролітів та біологічних тканин

Щільність струму в розчині електролітів визначається електричним зарядом позитивних і негативних іонів, їх концентраціями та швидкостями руху в електричному полі: J = q + n + v + + q - n - v.
Якщо прийняти, що концентрація та величина електричного заряду позитивних та негативних іонів дорівнюють, то J = qn(v + + v -)(8)
Швидкість v іонів пропорційна напруженості електричного поля Eі залежить від рухливості іонів uяка, у свою чергу, є функцією розміру, ступеня гідратації іонів, в'язкості розчинника:
v = uE (9)
Тоді J = qn (u + + u -) Е (10).
Цей вираз є законом Ома для розчинів електролітів.
Хоча опір біологічних тканин постійного електричного струму велике, і за питомою електропровідністю біологічні тканини близькі до діелектриків, пояснення відмінностей в електропровідності різних тканин, їх розглядають як провідники 2 роду, носіями заряду в яких служать іони.
Біологічні тканини не розрізняються суттєво за їх іонним складом, але відрізняються умовами іонного переміщення. Тому тканини різнорідні з погляду їх електричних властивостей. Мембрани клітин перешкоджають переміщенню іонів. Їх електричний опірє найбільшим. Кров, лімфа, цереброспінальна рідина характеризуються низьким опором електричного струму. Внутрішні органи, Що містять багато води (м'язи, печінка, нирки, тощо), також мають порівняно низький опір. Але опір таких тканин, як шкіра та кістки, дуже високий. Постійний електричний струм погано проникає крізь суху шкіру. Він поширюється в тілі людини, головним чином, вздовж кровоносних та лімфатичних судин та через м'язи.
Причиною високого опору біологічних тканин постійному електричному струму – наявність статичної ємності внаслідок ізоляційних властивостей мембран та явища поляризації, що відбуваються в клітинах, внаслідок яких виникає зустрічна ОДС, що перешкоджає проходженню через тканину струму. Причому при малих значеннях сили струму він не проходить через тканину внаслідок впливу цієї ЕРС, а за великих – відбувається дезінтеграція (руйнування) клітинних структур, внаслідок чого опір падає, однак подальші дослідженнянемає сенсу.
Поляризація – поділ позитивних та негативних зарядів. багато хто вважає, що явище поляризації пов'язане з наявністю напівпроникних мембран. Під дією електричного поля іони починають переміщатися, але не можуть проникнути через мембрану, в результаті у внутрішньої поверхнімембрани виникає розподіл зарядів. Усередині клітини утворюється поляризаційне поле. Як тільки його напруженість компенсує зовнішнє поле, переміщення іонів припиняється. Відповідно до цього на зовнішній сторонімембрани концентруються протилежно заряджені частинки.
Інші, розглядаючи клітини як шаруватий діелектрик, розглядають явища поляризації як результат гетерогенності клітинних елементів електропровідності, а також поляризацію пов'язують з дипольними молекулами(Орієнтація диполів вздовж силових ліній поля).
Постійний струм використовують у медичної практики, для реалізації двох методів - гальванізації та лікарського електрофорезу.

Змінний струм. Повний опір

Електричні ланцюги змінного струмувключають такі основні електричні компоненти як резистори, конденсатори та індуктори. Їх специфічні властивості- Опір, ємність та індуктивність.

Місткість. Якщо два провідники (пластини металу) розділені посередині ізоляцією, вони здатні накопичувати кілька електричного заряду. Величина, рівна відношеннюсумарного заряду, накопиченого на пластинах, до різниці потенціалів між пластинами називається ємністю(вимірюється в Фарадах (F): C = q/U (13).

Індуктивність. Індуктивність Lпов'язана з наявністю магнітного поля навколо дроту чи котушки, якими проходить електричний струм. Змінне магнітне поле породжує ЕДС (електрорушійну силу) самоіндукції, яка перешкоджає зміні сили струму в провіднику:
ε = -L·dl/dt (14), де ε - електрорушійна сила, dl/dt - миттєва швидкістьзміни сили струму, L- індуктивність, яка залежить від геометрії ланцюга та від магнітних властивостейречовини провідника та середовища. Індуктивність вимірюється в Генрі (Г).

Реактанс (або реактивний опір). Раніше згадувалося, що опір є властивістю електричного ланцюгаперешкоджати проходженню через неї електричного струму і що електрична енергія при цьому перетворюється на теплову. Реактанс – міра опору змінному електричному струму. Реактанс пов'язаний з ємністю та індуктивністю деяких частин ланцюга. Він не перетворює електричну енергіюв енергію тепла. Реактанс є додатково до опору, якщо через провідники протікає змінний струм. Коли в ланцюгу тече постійний електричний струм, він піддається тільки активному опоруале не реактансу. Реактанс буває двох типів: індуктивний та ємнісний.

Ємнісний реактанс X Cє зворотної величиною добутку кутової (циклічної) частоти струму та ємності цієї частини ланцюга: X C = 1/(ω·C)(15).

Індуктивний реактанс X L дорівнює творукутовий частоти змінного струму на індуктивність провідника: X L= ωL (16).

Доведено, що індуктивний реактанс призводить до того, що зміни напруги електричного ланцюга випереджають зміни сили струму на чверть періоду (π/2). Це можна пояснити тим, що ЕДС самоіндукції перешкоджає наростанню сили струму в ланцюзі.
Навпаки, ємнісний реактанс призводить до того, що зміни напруги електричного ланцюга відстають від зміни сили струму на чверть циклу (π/2). На рис. 3. проілюстровано дане явище.
Тому загальний реактанс Xявляє собою різницю індуктивного та ємнісного реактансів: X = X L - X C .
Якщо підсумовувати активний опір та загальний реактанс, який перешкоджає проходженню змінного струму в електричному ланцюзі, отримаємо величину, яка називається повним опором Z – імпедансом:

Дія зарядженого тіла на оточуючі тіла проявляється у вигляді сил тяжіння та відштовхування, які прагнуть повертати та переміщати ці тіла по відношенню до зарядженого тіла. Ми спостерігали прояв цих сил у дослідах, описаних у попередніх параграфах. Їх можна спостерігати також за допомогою повчального досвіду, який ми зараз опишемо.

Наллємо в невелику скляну кювету (мал. 25) будь-який рідкий діелектрик (наприклад, олія), до якого підмішано порошок з крупинками подовженої форми. У кювету помістимо, наприклад, дві металеві пластинки, і з'єднаємо їх з електричною машиною, що дозволяє безперервно розділяти позитивні та негативні заряди. Щоб зручно було стежити за поведінкою зважених у маслі крупинок, спроектуємо зображення всієї картини на екран або просто відкинемо тінь кювети на стелю (рис. 25). При зарядці пластин можна бачити, що окремі крупинки, розташовані спочатку абсолютно безладно, починають переміщатися і повертатися і врешті-решт встановлюються у вигляді ланцюжків, що тягнуться від одного електрода до іншого. На рис. 26 наведено зображення розташування крупинок між двома паралельними металевими пластинками, а на рис. 27 між двома металевими кульками.

Мал. 25. Схема експериментальної установкидля отримання картин електричного поля: 1 - кювета, що містить рицинова олія з кристаликами хініну, 2 - провідники, з'єднані з електричною машиною і створюють електричне поле, 3 - джерело світла, 4 - екран, на який проектується тінь від кристаликів

Мал. 26. Розташування крупинок між двома паралельними пластинками, зарядженими різноіменно

Мал. 27. Розташування крупинок між двома металевими кульками, зарядженими різноіменно

У цьому досвіді кожна крупинка подібна до маленької стрілки. Невеликі розміри крупинок дозволяють розмістити їх одночасно у багатьох точках середовища та завдяки цьому виявити, що дія зарядженого тіла проявляється у всіх точках простору, що оточує заряд. Таким чином, можна судити про існування електричного заряду в якомусь місці за діями, що провадяться їм у різних точкахнавколишнього простору.

Залежно від заряду та форми зарядженого тіла дія його у різних точках простору буде різною. Тому для повної характеристикизаряду треба знати, яку дію він справляє у всіляких точках навколишнього простору, або, як то кажуть, треба знати електричне поле, що виникає навколо заряду. Отже, поняттям «електричне поле» ми позначаємо простір, у якому проявляються дії електричного заряду.

Якщо є не один, а кілька зарядів, розташованих у різних місцях, то у будь-якій точці навколишнього простору виявиться спільна діяцих зарядів, електричне поле, яке створюється всіма цими зарядами.

Зауважимо, що на початку вивчення електрики часто виникає прагнення «пояснити» електричне поле, тобто звести його до будь-яких інших, вже вивчених явищ, подібно до того, як теплові явищами зводимо до безладного руху атомів та молекул. Однак численні подібні спроби в галузі електрики незмінно закінчувалися невдачею. Тому слід вважати, що електричне поле є самостійним. фізична реальність, що не зводиться ні до теплових, ні до механічним явищам. Електричні явищаявляють собою новий класявищ природи, з якими ми знайомимося на досвіді, і подальше наше завдання має полягати у вивченні властивостей електричного поля та його законів.

Вивчаючи механізм взаємодії зарядів, вчені давно припустили наявність електричного поля. Вже давно відомо, що немає безпосередньої взаємодії електрозарядів між собою. Навколо кожного заряду створюється поле, через яке здійснюється дія електрозарядів один на одного. При віддаленні від заряду дія поля починає слабшати.

Що таке електричне поле

Електричне поле сприймається звичайними органами почуттів, воно визначається лише з його впливу на електрозаряди. Наслідки цих взаємодій можна визначити з допомогою приладів, звідси випливає, що електрополе має матеріальну основу. Чи не зациклюється в якійсь одній точці, а існує у певному просторі. Наявність його визначається появою певної сили, що впливає той чи інший електрозаряд.

Електричне поле - це прояв особливої ​​форми матерії, навколишнього тіла, що володіють електричними зарядами. Якщо в якусь точку поля помістити заряд, то він зазнаватиме впливу сили. Для того, щоб реально визначити наявність чи відсутність поля, необхідно у певній області розмістити як можна Велика кількістьзарядів. Чим більша кількістьрозташоване в одному місці, тим більше шансів для вимірювальних приладівзареєструвати електрополе.

Властивості електричного поля

Основною властивістю є можливість впливати на електрозаряди із певною силою. З цієї дії відбувається вивчення всіх характеристик електричного поля.

p align="justify"> Саме електричне поле входить до складу загального електромагнітного поля. Тому ел. поле може створюватися не тільки за допомогою електрозарядів, але й під впливом змінних магнітних полів. Проте електростатичне поле, постійне за часом, може створюватися лише під впливом нерухомих зарядів.

Існування електричного поля має підтверджуватись певними кількісними характеристиками. Такі характеристики дозволяють порівняти різні поля між собою, і глибше вивчати їх властивості. Основною характеристикою є сила, що діє на електрозаряди у будь-якій точці цього поля. Таким чином, електричне поле - це така величина, яка цілком піддається матеріальному виміру та вивчення.

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ(Електростатичне поле), область навколо електричного заряду, в якій на кожну заряджену частинку діє деяка сила. Об'єкт із протилежним зарядом відчуває силу тяжіння. Об'єкт, що має такий же заряд, як і навколишнє поле, зазнає відразливого впливу. Сила поля щодо одиничного заряду з відривом r від заряду Q дорівнює: Q/4pr 2 e, де e - діелектрична проникністьсередовища, що оточує заряд. Змінне магнітне поле також може створити електричне поле. Див. такожЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ.

Науково-технічний енциклопедичний словник.

Дивитись що таке "ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ" в інших словниках:

Приватна форма прояву (поряд із магн. полем) електромагнітного поля, що визначає дію на електрич. заряд (з боку поля) сили, яка залежить від швидкості руху заряду. Уявлення про Е. п. було запроваджено М. Фарадеєм у 30-х роках. 19 ст. Фізична енциклопедія

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ, одна з форм електромагнітного поля. Створюється електричними зарядами чи змінним магнітним полем. Характеризується напруженістю електричного поля (або електричною індукцією). Напруженість електричного поля у ... Сучасна енциклопедія

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ- (14, а) … Велика політехнічна енциклопедія

приватна форма прояву електромагнітного поля; створюється електричними зарядами або змінним магнітним полем і характеризується напруженістю електричного поля. Великий Енциклопедичний словник

Електричне поле- Одна з двох сторін електромагнітного поля, що характеризується впливом на електрично заряджену частинку з силою, пропорційною заряду цієї частки і не залежить від її швидкості... Джерело: Електротехнічна. ТЕРМІНИ І ВИЗНАЧЕННЯ ОСНОВНИХ … Офіційна термінологія

електричне поле- Одна з двох сторін електромагнітного поля, що характеризується впливом на електрично заряджену частинку з силою, пропорційною до заряду цієї частки і не залежить від її швидкості. [ГОСТ Р 52002 2003] EN electric field constituent of an… Довідник технічного перекладача

Класична електродинаміка … Вікіпедія

електричне поле- 06.01.07 електричне поле [electric field]: Складова електромагнітного поля, яка характеризується векторами напруженості електричного поля Е та електричної індукції D. Примітка У французькою мовоютермін «champ electrique»… … Словник-довідник термінів нормативно-технічної документації

Електричне поле- Демонстрація поля електростатичного заряду. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ, одна з форм електромагнітного поля. Створюється електричними зарядами чи змінним магнітним полем. Характеризується напруженістю електричного поля (або ... Ілюстрований енциклопедичний словник

приватна форма прояву електромагнітного поля; створюється електричними зарядами або змінним магнітним полем та характеризується напруженістю електричного поля. * * * ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ, приватна формапрояви… … Енциклопедичний словник

Книги

• Теоретичні засади електротехніки. Електромагнітне поле, Л. А. Безсонов. Розглянуто традиційні та ті, що з'явилися за Останніми рокаминові питання теорії та методи розрахунку фізичних процесівв електричних, магнітних та електромагнітних полях, передбачені…
• Класифікація і структура полів Гравітаційне поле Електромагнітне поле Магнітне поле Електричне поле Електростатичне поле Імпульсне поле Кулонівське поле Ядерне поле теорія абсолютності , Гуревич Г., Каневский С.. У книзі "Класифікація і структура полів" дана класифікація полів навколишнього світу, заснований структури полів макросвіту та мікросвіту.. Народження, життя та смерть…