Характеристики электрического поля и его основные свойства

Характеристики электрического поля и его основные свойстваЭлектрическим полем называется материя, обеспечивающая взаимодействие электрических зарядов в нем. Оно может быть порождено как электрическим зарядом, так и изменяющимся магнитным потоком. В первом случае оно называется электростатическим, во втором — вихревым. Без этого поля не может возникнуть электрический ток, но чтобы знать, как он возникает, следует ознакомиться с основными характеристиками электрческого поля.

Природа явления

Глазами электрическое поле увидеть невозможно: его можно обнаружить по его действию на заряженные тела. При этом такое воздействие не требует прямого касания носителей потенциала, но имеет силовую природу. Так, наэлектризованные волосы будут тянуться к другим предметам.

Наблюдение за электрическими полями показывает, что они работают аналогично гравитационным. Описывается это законом Кулона, который в общем виде выглядит так:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

где q₁ и q₂ - величины зарядов в кулонах, ε - диэлектрическая проницаемость среды, ε₀ - электрическая постоянная, равная 8,854*10⁻¹² Ф/м, r — расстояние между зарядами в метрах, а F — сила, с которой заряды взаимодействуют, в ньютонах.

Таким образом, чем дальше от центра, тем меньше будет ощущаться воздействие поля.

Отобразить поле графически можно в виде силовых линий. Их расположение будет зависеть от геометрических характеристик носителя. Различают два вида полей:

  1. Однородное, когда силовые линии расположены параллельно друг другу. Идеальный случай — это бесконечные параллельные заряженные пластины.
  2. Неоднородное, частный случай которого — поле вокруг точечного или сферического заряда; его силовые линии расходятся радиально от центра, если он положительный, и к центру, если отрицательный.

Силовые линии электрического поля, индуцированного электрическим зарядом, незамкнуты. Замкнуты они только у вихревого поля, которое формируется вокруг изменяющегося магнитного потока.

Таковы основные свойства электрического поля. Чтобы ознакомиться с его характеристиками, стоит рассмотреть простейший вариант — электростатическое, которое формируется постоянными и неподвижными зарядами. Для удобства они будут точечными, чтобы их контуры не усложняли расчеты. Пробный заряд, который тоже будет фигурировать в дальнейшем, тоже будет точечным и бесконечно малым.

Основные характеристики

Их можно описать при помощи математических закономерностей, а некоторые — выразить графически. Последние характеристики являются векторными, то есть имеющими направление. Это важно, поскольку при решении практических задач часто приходится оперировать не модулем величины, а проекцией вектора на какую-либо выбранную ось.

Основными параметрами поля являются:

  1. напряженность;
  2. потенциал;
  3. индукция.

Напряженность поля

Это силовая характеристика электрического поля. Величина это векторная, и она характеризует силу, с которой поле воздействует на заряд в конкретной точке. Математически это выражается так:

Ē = F̄/q.

Силовая характеристика электрического поля

Если подставить сюда формулу закона Кулона, то получим:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

Таким образом, в каждой точке поля его напряженность разная, и зависит она от заряда, который оно создает, условий среды и величине, обратно пропорциональной квадрату расстояния до точки.

Если поле создано двумя зарядами, то результирующая напряженность рассчитывается графически — при помощи сложения векторов напряженностей от каждого отдельного источника. Этот способ получил название принципа суперпозиции.

Потенциалы и их разность

Электрическое поле способно совершать работу. Если пробный заряд передвигать в поле, то работа, выполненная эл. полем, будет зависеть от начального и конечного расстояние от пробного заряда до центра эл. поля. Сравнить это можно с человеком, который собрался прыгать с крыши. Пока он находится на высоте десятого этажа, его потенциальная энергия будет равна:

W = -GMm / Rr.

Или если учесть соразмерность земли и человека:

W = mgh.

Пока человек не прыгнул, он обладает потенциальной энергией. Когда же он, наконец, упадет, гравитационное поле совершит работу, численно равную вышеуказанной величине. При этом не учитывается горизонтальное перемещение — эту работу совершал сам покойный.

Электрическое поле работает сходным образом. Пробный заряд q₁, помещенный в него, обладает потенциальной энергией:

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

При перемещении в другую точку, когда расстояние r будет иным, поле совершит работу, равную:

A = W₁ - W₂ = q₁ q₀ /4 π ε ε₀ r₁ - q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

Если из обоих слагаемых выделить параметр, который относится непосредственно к полю, а не к пробному заряду, он будет выглядеть так:

φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

И вот это φ и называется потенциалом поля в точке. Исходя из всех написанных выше формул, можно выразить эту величину так:

φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Таким образом, работа, которую совершит поле, будет выражена следующим образом:

A = W₁ - W₂ = φ₁ q₁ - φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ - φ₂).

Выражение в скобках будет называться разностью потенциалов, или напряжением. Она показывает, какую работу совершит поле по перемещению пробного заряда.

A/q = (φ₁ - φ₂).

Единица этой величины, Дж/Кл, получила название Вольт, в честь ученого Алессандро Вольта. От этой единицы отсчитывают размерность и других величин в электростатике и электродинамике. Например, напряженность поля измеряется в В/м.

Электрическая индукция

Явление Электростатической Индукции Эта величина характеризует электрическое поле, что называется, в чистом виде. В реальности мы имеем дело с полем в различных средах, имеющих определенную диэлектрическую проницаемость. Несмотря на то что для большинства веществ это табличная величина, в ряде случаев она непостоянна, а ее зависимость от параметров среды (температура, влажность и т. д. ) нелинейна.

Такое явление характерно для сегнетовой соли, титаната бария, ниобата лития и ряда других.

Электрическая индукция измеряется в Кл/м ², и ее величина выражается формулой:

D = ε ε₀ E.

Это тоже векторная величина, направление которой совпадает с направлением напряженности.

Статическое и вихревое поле

Как упоминалось в начале статьи, электрическое поле может возникать вокруг переменного магнитного поля. Оно даже создает ток, что может быть достигнуто двумя путями:

  • изменением интенсивности магнитного поля, проходящего сквозь контур проводника в нем;
  • изменением положения самого проводника.

При этом проводнику вовсе не обязательно быть замкнутым — ток в нем все равно будет течь.

Для иллюстрации отличий статического и вихревого поля можно составить таблицу.

Параметр Электростатическое Вихревое
форма силовых линий разомкнутые замкнутые
чем создается неподвижным зарядом переменным магнитным потоком
источник напряженности заряд отсутствует
работа по перемещению в замкнутом контуре нулевая создает ЭДС индукции

Нельзя сказать, что первое и второе поле никак между собой не связаны. Это не так. В реальности работает такая закономерность: неподвижный заряд создает электростатическое поле, которое движет заряд в проводнике; движущийся заряд порождает постоянное магнитное поле. Если заряд движется с непостоянной скоростью и направлением, то магнитное поле становится переменным и создает вторичное электрическое. Таким образом, электрическое поле и его характеристики влияют на возможность возникновения магнитного и его параметры.