Действие электрического поля: Ошибка 403 — доступ запрещён

Электрическое поле и электрический ток: напряженность и сила

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле.

Электрическое поле

Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Потенциал. Разность потенциалов. Кроме напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j. Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Полярные и неполярные диэлектрики

Виды диэлектриков

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела. Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Электроемкость и конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электрический ток

Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.

Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Направленное движение заряженных частиц

Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда. О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Сила тока

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным.

Электродвижущая сила

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды. Проводники и диэлектрики – FIZI4KA

ОГЭ 2018 по физике ›

1. Электрическое взаимодействие отличается от взаимодействия тел, изучаемого механикой, прежде всего тем, что заряженные тела взаимодействуют, находясь на некотором расстоянии друг от друга. Это взаимодействие наблюдается как в вещественной среде, так и в безвоздушном пространстве. Согласно утверждению английских учёных М. Фарадея и Д. Максвелла, в пространстве, в котором находится заряженное тело, существует электрическое поле. Посредством этого поля одно заряженное тело действует на другое.

Электрическое поле материально, наряду с веществом оно представляет собой вид материи. Это означает, что электрическое поле реально, оно существует независимо от нас. Убедиться в реальности электрического поля заряженного тела можно, наблюдая его действие на другие тела.

Силу, с которой поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой. Предположим, что в электрическое поле, существующее вокруг некоторого заряженного тела, вносят электрический заряд. Значение силы, с которой это поле действует на заряд, зависит от расстояния между зарядами и от значения этих зарядов.

2. Одним из способов электризации тел является электризация через влияние. Предположим, что к шару электрометра поднесли, не касаясь его, отрицательно заряженную палочку. Электрическое поле этой палочки будет действовать на заряды, содержащиеся в электрометре. При этом свободные электроны будут отталкиваться и соберутся на конце стержня и на стрелке, отклонение стрелки покажет наличие заряда. На шаре электрометра при этом будет избыточный положительный заряд. Если палочку убрать, то стрелка электрометра вернётся в ноль.

Для того чтобы на электрометре остался заряд, его нужно заземлить, т.е. соединить с Землёй. Это можно сделать, если коснуться шара электрометра рукой. Тогда электроны, стремясь уйти как можно дальше, переместятся с электрометра в землю. Если теперь убрать руку и палочку, то стрелка покажет, что электрометр заряжен. На нём останется избыточный положительный заряд. Аналогично электрометр может приобрести отрицательный заряд, если поднести к нему положительно заряженную палочку. В этом случае при заземлении на электрометре будет избыток электронов.

3. В рассмотренном выше опыте электрические заряды перемещались по электрометру. По эбонитовой палочке они не перемещались, в противном случае при касании её рукой она бы разряжалась. Из этого следует, что существуют вещества, по которым заряды могут перемещаться, и вещества, по которым заряды не могут перемещаться.

Первый класс веществ называют проводниками. Хорошими проводниками являются металлы. Это связано с тем, что в металлах существуют электроны, слабо связанные с ядром атома и имеющие возможность свободно перемещаться. Если поместить проводник в электрическое поле так, как это было в рассмотренном опыте с электрометром, то произойдёт разделение зарядов.

Второй класс веществ называют диэлектриками. К ним относятся эбонит, стекло, пластмассы и пр. В диэлектрике нет свободных зарядов. Если внести диэлектрик в электрическое поле, то нейтральный атом в нём примет определённую ориентацию, однако никакого перемещения зарядов не произойдет.

Содержание

• ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ
  • Часть 1
• Ответы

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Лёгкий незаряженный шарик из металлической фольги подвешен на тонкой шёлковой нити. При поднесении к шарику стержня с положительным электрическим зарядом (без прикосновения) шарик

1) отталкивается от стержня
2) не испытывает ни притяжения, ни отталкивания
3) на больших расстояниях притягивается к стержню, на малых расстояниях отталкивается
4) притягивается к стержню

2. К незаряженной лёгкой металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити, поднесли, не касаясь, положительно заряженную стеклянную палочку. На каком рисунке правильно показано поведение гильзы и распределение зарядов на ней?

3. К незаряженному электрометру поднесли положительно заряженную палочку. Какой заряд приобретут шар и стрелка электрометра?

1) шар и стрелка будут заряжены отрицательно
2) шар и стрелка будут заряжены положительно
3) на шаре будет избыточный положительный заряд, на стрелке — избыточный отрицательный заряд
4) на шаре будет избыточный отрицательный заряд, на стрелке — избыточный положительный заряд

4. К двум одинаковым заряженным шарикам, подвешенным на изолирующих нитях, подносят положительно заряженную стеклянную палочку. В результате положение шариков изменяется так, как показано на рисунке (пунктирными линиями указано первоначальное положение нитей). Это означает, что

1) оба шарика заряжены положительно
2) оба шарика заряжены отрицательно
3) первый шарик заряжен положительно, а второй отрицательно
4) первый шарик заряжен отрицательно, а второй положительно

5. К подвешенному на тонкой нити отрицательно заряженному шарику А поднесли, не касаясь, шарик Б. Шарик А отклонился, как показано на рисунке. Шарик Б

1) имеет отрицательный заряд
2) имеет положительный заряд
3) может быть не заряжен
4) может иметь как положительный, так и отрицательный заряд

6. К отрицательно заряженному электроскопу поднесли, не касаясь его, диэлектрическую палочку. При этом листочки электроскопа разошлись на заметно больший угол. Заряд палочки может быть

1) только положительным
2) только отрицательным
3) и положительным, и отрицательным
4) равным нулю

7. К незаряженному изолированному проводнику АБ приблизили изолированный отрицательно заряженный металлический шар. В результате листочки, подвешенные с двух сторон проводника, разошлись на некоторый угол (см. рисунок).

Распределение заряда в проводнике АБ правильно изображено на рисунке

8. На нити подвешен незаряженный металлический шарик. К нему снизу поднесли заряженную палочку. Изменится ли сила натяжения нити, и если да, то как?

1) не изменится
2) увеличится независимо от знака заряда палочки
3) уменьшится независимо от знака заряда палочки
4) увеличится или уменьшится в зависимости от знака заряда палочки

9. Из какого материала может быть сделан стержень, соединяющий электроскопы, изображённые на рисунке?

А. Сталь
Б. Стекло

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

10. Два металлических шарика, укреплённых на изолирующей подставке, соединили металлическим стержнем. К правому шарику поднесли отрицательно заряженную палочку, затем убрали стержень и заряженную палочку. Какой заряд будет на правом и на левом шариках?

1) на правом шарике — положительный, на левом — отрицательный
2) на правом шарике — отрицательный, на левом — положительный
3) на нравом и на левом шариках — положительный
4) на правом и на левом шариках — отрицательный

11. Из перечня приведённых ниже высказываний выберите два правильных и запишите их номера в таблицу.

1) Вокруг электрического заряда существует электрическое поле.
2) В диэлектрике, помещенном в электрическое поле, происходит перераспределение зарядов.
3) Электрическое поле невидимо и не может быть обнаружено.
4) При электризации через влияние в проводнике происходит перераспределение зарядов.
5) Диэлектрику можно сообщить электрический заряд, поместив его в электрическое поле.

12. Электрометр с шариком на его конце помещён в поле отрицательного заряда. При этом его стрелка отклонилась на некоторый угол. Как при этом изменилось количество заряженных частиц электрометре? Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при этом. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество протонов на шарике
Б) количество электронов на шарике
B) количество электронов на стрелке

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

Ответы

Постоянный электрический ток. Сила тока. Напряжение. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи →

← Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие электрических зарядов. Закон сохранения электрического заряда

Электрическое поле и движение заряда

Возможно, одним из самых полезных, но само собой разумеющихся достижений последних столетий является разработка электрических цепей. Поток заряда по проводам позволяет нам готовить еду, освещать наши дома, кондиционировать нашу работу и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу. В этом разделе «Класс физики» мы рассмотрим причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, влияющие на скорость его течения. Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно обсуждены.

Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля впервые было введено в разделе «Статическое электричество». В этой единице электрическая сила описывалась как бесконтактная сила. Заряженный воздушный шар может оказывать притягательное воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже если они не соприкасаются. Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила – это сила действия на расстоянии.

Силы действия на расстоянии иногда называют полевыми силами. Концепция силы поля используется учеными для объяснения этого довольно необычного силового явления, возникающего в отсутствие физического контакта. На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве создается электрическое поле. Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этом поле ощутят необычное изменение пространства. Независимо от того, входит ли заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества пространства. Когда другой заряженный объект входит в пространство и перемещается на все глубже и глубже в поле, эффект поля становится все заметнее.

Электрическое поле представляет собой векторную величину, направление которой определяется как направление, в котором положительный пробный заряд будет сдвинут при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля вокруг положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника. А направление электрического поля вокруг отрицательного заряда источника всегда направлено к отрицательному источнику.

 

Электрическое поле, работа и потенциальная энергия

Электрические поля аналогичны гравитационным полям — оба включают в себя силы, действующие на расстоянии. В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии воздействуют на другие массы. Когда концепция силы гравитации и энергии обсуждалась в Разделе 5 кабинета физики, было упомянуто, что сила гравитации является внутренней или консервативной силой. Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его из высокого места в более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется. Однако в ходе падающего движения происходила потеря потенциальной энергии (и прирост кинетической энергии). Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию. Потенциальная энергия, изначально запасенная внутри объекта в результате его вертикального положения, теряется при движении объекта под действием гравитационного поля. С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Неподвижный объект не будет естественным образом двигаться против поля и приобретать потенциальную энергию. Энергия в виде работы должна была бы быть сообщена объекту внешней силой, чтобы он приобрел эту высоту и соответствующую потенциальную энергию.

В этой гравитационной аналогии важно отметить, что внешняя сила должна совершить работу, чтобы сдвинуть объект против природы — от низкой потенциальной энергии до высокой потенциальной энергии. С другой стороны, объекты естественным образом переходят от высокой потенциальной энергии к низкой потенциальной энергии под действием силы поля. Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой энергии; но требуется работа, чтобы переместить объект из низкой энергии в высокую энергию.

Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребовалась бы работа. Совершение работы внешней силой, в свою очередь, добавило бы объекту потенциальную энергию. Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой; но необходимо совершить работу, чтобы переместить объект против природы . С другой стороны, не потребуется работы, чтобы переместить объект из места с высокой потенциальной энергией в место с низкой потенциальной энергией. Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, взаимосвязь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.

Рассмотрим приведенную выше диаграмму, на которой положительный исходный заряд создает электрическое поле, а положительный пробный заряд движется против поля и вместе с ним. На диаграмме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B. Перемещение заряда в этом направлении было бы равносильно действию против природы. Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из точки А в точку В, и положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе. Это было бы аналогично перемещению массы в гору; работа потребовалась бы, чтобы вызвать такое увеличение гравитационной потенциальной энергии. На диаграмме B положительный пробный заряд перемещается вместе с полем из точки B в точку A. Это движение было бы естественным и не требовало бы работы внешней силы.

Положительный пробный заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A. Это будет аналогично падению массы вниз; это произошло бы естественным путем и сопровождалось бы потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; и место с низким энергопотреблением находится дальше всего.

Вышеприведенное обсуждение относилось к перемещению положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом положительным исходным зарядом. Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным исходным зарядом. Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.

На диаграмме C положительный пробный заряд перемещается из точки A в точку B в направлении электрического поля.

Это движение было бы естественным — подобно массе, падающей на Землю. Для такого движения не требуется работы, и оно будет сопровождаться потерей потенциальной энергии. На диаграмме D положительный пробный заряд перемещается из точки B в точку A против электрического поля. Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично подъему массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия сообщается пробному заряду в виде работы, положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с низкой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к отрицательному заряду источника, а место с высокой энергией — это место, наиболее удаленное от отрицательного заряда источника.

 

Когда мы начнем обсуждать электрические цепи, мы применим эти принципы, касающиеся работы и потенциальной энергии, к движению заряда по цепи. Как мы и рассуждали здесь, перемещение положительного пробного заряда против электрического поля потребует работы и приведет к увеличению потенциальной энергии.

С другой стороны, положительный пробный заряд будет естественным образом двигаться в направлении поля без необходимости совершения над ним работы; это движение приведет к потере потенциальной энергии. Прежде чем сделать это приложение к электрическим цепям, нам нужно сначала изучить значение концепции электрического потенциала.

 

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Учебник по физике: Линии электрического поля

В предыдущем разделе урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля. Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, прямо пропорциональна количеству заряда на заряде источника и обратно пропорциональна расстоянию от заряда источника. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный пробный заряд будет выталкиваться или тянуться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд.

Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. Для любого заданного места стрелки указывают направление электрического поля, и их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на диаграмме ниже. Обратите внимание, что длина стрелок больше, когда они ближе к заряду источника, и меньше, когда дальше от заряда источника.

 

Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля. Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, полезнее нарисовать узор из нескольких линий, протянувшихся между

бесконечностью и зарядом источника. Этот набор линий, иногда называемый линиями электрического поля, указывает направление, в котором положительный пробный заряд ускорится, если его поместить на линию. Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам. Чтобы передать информацию о направлении поля, каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Образец линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий снижает удобочитаемость шаблонов, количество линий обычно ограничивается. Наличие нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать характер электрического поля в пространстве, окружающем линии.

 

 

Правила рисования рисунков электрических полей

Существует множество соглашений и правил рисования таких рисунков линий электрического поля. Условные обозначения просто установлены для того, чтобы образцы линий электрического поля передавали наибольшее количество информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно общее соглашение состоит в том, чтобы окружить более заряженные объекты большим количеством линий. Объекты с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружая сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, плотностью линий. Это соглашение изображено на диаграмме ниже.

Мало того, что плотность линий, окружающих любой данный объект, дает информацию о количестве заряда источника заряда, плотность линий в определенном месте в пространстве дает информацию о силе поля в этом месте. Рассмотрим объект, показанный справа. Два разных круглых сечения нарисованы на разных расстояниях от источника заряда. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда. Линии поля ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они расходятся дальше друг от друга в областях пространства, наиболее удаленных от заряда. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы сделать вывод, что электрическое поле наибольшее в местах, ближайших к поверхности заряда, и наименьшее в местах, удаленных от поверхности заряда. Плотность линий в структуре линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.

Второе правило рисования линий электрического поля включает в себя рисование силовых линий перпендикулярно поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает составляющей электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности исходного заряда, начал бы ускоряться. Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; такого никогда не наблюдается в статическое электричество электричество. Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.

Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и заманчиво нарушить) при рисовании линий электрического поля для ситуаций, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже). Если бы линиям электрического поля когда-нибудь позволили пересечься друг с другом в заданном месте, вы могли бы представить результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и напряженности) электрического поля в области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в заданном месте, то должны быть два совершенно разных значения электрического поля со своим индивидуальным направлением в этом заданном месте. Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и связанное с ним направление. Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекаться друг с другом в любом заданном месте в пространстве.

 

Линии электрического поля для конфигураций из двух и более зарядов

В приведенных выше примерах мы видели линии электрического поля для пространства, окружающего отдельные точечные заряды. Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, может быть описано линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.

Предположим, что в данной области пространства есть два положительных заряда — заряд A (Q _A ) и заряд B (Q _B ). Каждый заряд создает свое электрическое поле. В любом заданном месте, окружающем заряды, напряженность электрического поля можно рассчитать, используя выражение kQ/d ² . Поскольку имеется два заряда, расчет kQ/d ² должен быть выполнен дважды в каждом месте: один раз с kQ _A /d _A ² и один раз с kQ _B /d _B ² (d _A — расстояние от этого места до центра заряда A, а d _B — расстояние от этого места до центра заряда B ). Результаты этих расчетов показаны на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E _A и E _B ), нарисованными в различных местах. Сила поля представлена ​​длиной стрелки, а направление поля представлено направлением стрелки.

 

Поскольку электрическое поле является вектором, к электрическому полю можно применить обычные операции, применимые к векторам. То есть их можно добавлять в прямом порядке для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте. Это показано на диаграмме ниже.

На приведенной выше диаграмме показано, что величина и направление электрического поля в каждом месте представляют собой просто векторную сумму векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше мест и процесс рисования E _A , E _B и E _net повторяется, тогда будут известны напряженность и направление электрического поля во множестве мест. (Этого не делается, так как это очень трудоемкая задача.) В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию наших двух зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного числа точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это изображено на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой заданной точке.

 

Построение линий электрического поля таким образом является утомительной и громоздкой задачей. Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большей затратой времени). Каким бы ни был метод, используемый для определения паттернов линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что паттерн является результатом паттернов отдельных зарядов в конфигурации. Образцы линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.

 

На каждой из вышеприведенных диаграмм отдельные заряды источника в конфигурации обладают одинаковым количеством заряда. Имея одинаковое количество заряда, каждый источник заряда имеет равную способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, картина носит симметричный характер, и количество линий, исходящих от исходного заряда или идущих к исходному заряду, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный исходный заряд, пропорциональна количеству заряда на этом исходном заряде. Если количество заряда на заряде источника неодинаково, картина приобретет асимметричный характер, так как один из зарядов источника будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства. Это показано на рисунках линий электрического поля ниже.

 

После построения линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие закономерности для других конфигураций. Существует ряд принципов, которые помогут в таких предсказаниях. Эти принципы описаны (или переописаны) в списке ниже.

• Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта до бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
• Линии электрического поля никогда не пересекаются.
• Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим количеством заряда.
• В местах, где линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.
•  

Линии электрического поля как невидимая реальность

В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, происходящее между заряженными объектами. Впервые понятие электрического поля было введено 19 в.физик 19 века Майкл Фарадей. Фарадей считал, что узор из линий, характеризующих электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того, чтобы думать с точки зрения воздействия одного заряда на другой заряд, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на окружающее его пространство. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве. С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда. Заряженный объект посылает свое электрическое поле в пространство, идущее от «тянущего к шкиву». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную паутину влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Таким образом, когда вы практикуете построение линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии. Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая будет притягивать и отталкивать другие заряды, входящие в нее.

 

 

Мы хотели бы предложить…

Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Поместите заряд в цель» и/или интерактивного взаимодействия с линиями электрического поля. Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактива обеспечивают привлекательную среду для изучения линий электрического поля.

Посетите:  Зарядите цель  | Линии электрического поля

 

 

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Несколько рисунков линий электрического поля показаны на диаграммах ниже. Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так со всеми неправильными диаграммами.

 

2. Эрин Эгин нарисовала следующие линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.

 

3. Рассмотрите линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже. Из диаграммы видно, что объект А — это ____, а объект В — это ____.

а. +, +

б. -, —

в. +, —

д. -, +

эл. недостаточно информации

 

4. Рассмотрим линии электрического поля, нарисованные справа для конфигурации из двух зарядов.