ОМИКРОН ОМИКРОН ОМИКРОН
Система Orphus

5. Электрическое поле

5. Электрическое поле

Электромагнитное поле наука характеризует как особую форму материи (иначе говоря, как некоторую физическую реальность), которой присущ ряд свойств: электромагнитное поле непрерывно распределяется в пространстве, в пустоте распространяется со скоростью света (300000 км/сек) и обладает способностью силового воздействия на заряженные частицы и токи, в процессе которого энергия поля преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую и т. д.). Заряженная частица обладает электромагнитным полем, однако само поле может существовать и отдельно от частицы. Примером этому служит частица (квант) света — фотон и электромагнитное поле, излучаемое антенной.

Пусть мы имеем заряженное неподвижное проводящее тело. Электрически элементарные отрицательные заряды, входящие в состав атомов и молекул вещества тела и образующие полный заряд тела, находятся внутри его в непрерывном движении. Но даже на очень малом расстоянии от поверхности тела магнитные поля отдельных положительных и отрицательных частиц заряда взаимно компенсируются и поэтому результирующее магнитное поле вокруг заряженного неподвижного проводящего тела практически отсутствует. Наоборот, около неподвижного постоянного магнита обнаруживается только лишь магнитное поле, а электрическое поле отсутствует. Это дает нам возможность раздельно изучать электрическое и магнитное поле.

Отметим, что теория электромагнитного поля была впервые изложена английским ученым Максвеллом в его труде «Трактат об электричестве и магнетизме», вышедшем в 1873 г.

Переходя к изучению электрического поля, мы будем считать его одной из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемого электрическими зарядами и изменением магнитного поля и характеризуемого силовым воздействием на частицы, обладающие электрическим зарядом.

Оценка интенсивности электрического поля производится по механическим силам, с которыми поле действует на заряженные тела. Так как по закону Кулона сила взаимодействия между зарядами в данной среде зависит от величины зарядов и расстояния между ними, то за количественную меру поля принимают механическую силу, с которой поле в данной точке пространства действует на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Эта величина называется напряженностью электрического поля и обозначается буквой Е, Согласно определению напряженность поля равна:

Приравнивая единице один из зарядов в формуле Кулона, мы получим выражение для напряженности поля Е в точке, удаленной на расстояние г от физически точечного заряда:

а для пустоты, у которой относительная электрическая проницаемость равна единице.

Размерность напряженности электрического поля можно вывести из определяющей ее формулы:

т. е. в абсолютной, практической системе единиц напряженность электрического поля изменяется в вольтах на метр.

Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и по направлению, называется однородным полем.

Общее число электрических силовых линий, проходящих через какую-либо поверхность, помещенную в электрическом поле, называется потоком вектора напряженности сквозь эту поверхность и обозначается буквой N. Сквозь поверхность S, помещенную перпендикулярно вектору напряженности, в однородном электрическом поле напряженностью Е будет проходить поток вектора напряженности N:

N = ES.

Размерность потока вектора напряженности

Если поверхность расположена под углом а к вектору напряженности, то поток вектора напряженности

В неоднородном поле поток вектора напряженности, проходящий сквозь поверхность, определяется так. Разбивают всю поверхность на малые площадки , считая, что каждый элемент площадки находится в равномерном поле. Тогда поток вектора напряженности, проходящий через всю поверхность, будет:

Поместим заряд q в центре сферы радиуса R. Напряженность поля на поверхности сферы:

Поток вектора напряженности, проходящий через всю по­верхность сферы,

Полученное выражение носит название теоремы Гаусса.

Необходимо отметить, что замкнутая поверхность, внутри которой помещен электрический заряд, может быть произвольной формы. Таким образом, выражение потока вектора напряженности, выведенное нами для поверхности сферы, можно применять для всякой другой замкнутой поверхности.

При изучении различных физических явлений нам приходится встречаться со скалярными и векторными величинами.

Скалярная величина характеризуется только численным значением. Приписать ей какое-либо направление нельзя. Скалярными величинами являются температура, количество вещества, энергия, мощность и т. п.

Векторная величина характеризуется как численным значением, так и направлением. Она изображается на чертеже отрезком, длина которого в определенном масштабе выражает числовое значение, а стрелка показывает направление.

К векторным величинам относятся сила, скорость движения, ускорение и т. п. Напряженность электрического поля является также векторной величиной.

На фиг. 6, о графически показана напряженность электрического поля в точках А и В, удаленных на расстояние r1 и r2 от положительного заряда q, помещенного в какой-либо среде. Как видно из чертежа, напряженность поля достаточно малого (точечного) положительного заряда направлена от заряда вдоль радиуса. Напряженность поля в точках А и В, разноудаленных от з ряда q, различна и изменяется по мере удаления от заряда обратно пропорционально квадрату расстояния. На фиг. 6 б графическн показана напряженность электрического поля в точках

А и В, удаленных на расстоянии r1 и r2 от одиночного отрицательного заряда q, находящегося в какой-либо среде. Напряженность поля в этом случае направлена вдоль радиуса к заряду. Рассмотрим теперь, чему равна напряженность поля, созданного двумя электрическими зарядами +q1 и —q2, в некоторой точке А (фиг. 7). Если убрать заряд — q2, то напряженность поля

в точке А, созданная зарядом +q1, будет Е1. Наоборот, если убрать заряд +q1 то напряженность поля в точке А, созданная зарядом —q2, будет Е2 Так как напряженности Е1 и Е2 направлены под углом одна к другой, то для получения результирующей напряженности поля Е от совместного действия зарядов +q1 и —q2 необходимо напряженности Е1 и Е2 сложить по правилу параллелограмма. Тем же способом можно вычислить и построить напряженность в любой точке поля при любом числе электрических зарядов.

Положительный электрический заряд, внесенный в поле положительно заряженного тела шарообразной формы, удаленного от других зарядов, будет отталкиваться по прямой линии, являющейся продолжением радиуса заряженного тела. Помещая электрический заряд в различные точки поля заряженного шара и отмечая траектории движения заряда под действием его электрических сил, мы получим ряд радиальных прямых, расходящихся от шара во все стороны. Эти воображаемые линии, по которым стремится двигаться положительный, лишенный инерции заряд, внесенный в электрическое поле, называется электрическими силовыми линиями. Совершенно ясно, что в электрическом поле можно провести любое число силовых линий. С помощью силовых линий можно графически изобразить не только

направление, но и величину напряженности электрического поля в данной точке. Если условиться проводить силовые линии так, чтобы через квадратный сантиметр поверхности, перпендикулярной к этим линиям в данной

точке поля, проходило такое их количество, которое было бы равно напряженности поля в этой точке, то этот графический прием позволит нам судить о величине напряженности в данной точке поля по густоте силовых линий. На фнг. 8, а дано электрическое поле положительно заряженного шара, удаленного от других зарядов, а на фиг. 8, б дано поле отрицательно заряженного шара. Рассмотрим более сложное электрическое поле между двумя разноименно заряженными физически точечными зарядами (фиг. 9, а). Возьмем точку А и построим для нее вектор напряженности с учетом одновременного действия двух заряженных тел. На конце вектора напряженности Е1 ставим точку Б и строим вектор напряжения в этой точке. В точке В, установленной на конце вектора напряженности Е1 строим вектор напряженности и т. д. Ломаная линия АБВГД показывает направление электрического поля в точках А, Б, В, Г и Д. При большем числе точек (фиг. 9, б) ломаная линия, соединяющая эти точки, будет точнее передавать направление поля.

Точное представление о направлении поля даст линия с бесконечно большим числом точек на ней. При этом ломаная линия переходит в некоторую плавную кривую (фиг. 9, в). Направление поля в данной точке совпадает с направлением напряженности в этой точке и может быть указано направлением касательной к силовой линии в этой же точке. На фиг. 10, а дано изображение электрического поля двух физически точечных разноименных зарядов, а на фиг. 10, б — двух одноименных зарядов.

Электрическое поле, в разных точках которого векторы напряженности одинаковы и параллельны, называется однородным. Однородное электрическое поле изображается параллельными линиями, расположенными на одинаковых расстояниях одна от другой.

Так как одноименные заряды взаимно отталкиваются, то на всяком проводнике электрический заряд сосредоточивается только на его внешней поверхности. Количество электричества, приходящееся на единицу поверхности заряженного тела, называется поверхностной плотностью электрического заряда. Величина плотности электрического заряда зависит от количества электричества на теле, а также от формы поверхности проводника. На телах правильной формы (шар, очень длинные проводники круглого сечения) электрический заряд распределяется равномерно. Поэтому поверхностная плотность электрического заряда во всех точках поверхности таких тел будет одинакова.

На проводниках неправильной формы заряд распределяется неравномерно. Большая плотность электричества будет на выступах, выпуклостях, меньшая — во впадннах, углублениях. Особенно велика плотность электричества на остриях. Объяснение этого явления дано на фиг. 11, слева — для тела правильной формы (шара), справа — для тела неправильной формы. Части заряда а и b действуют на часть заряда С. Силы взаимодействия между частями заряда fa и fb геометрически складываясь, дают равнодействующую силу f, причем при одинаковых силах fa и fb для обоих примеров сила f будет больше во втором случае, так как угол между направлениями сил fa и fb меньше. . Поэтому части заряда, находящиеся на острие тела неправильной формы, будут испытывать силы отталкивания, стремящиеся удалить эти части заряда с поверхности тела. Большая часть заряда, скопившаяся на острие проводника, может образовать в этом месте сильное электрическое поле, под влиянием которого воздух (или другой изолятор) будет ионизирован и станет проводящим. В этом случае электрический заряд, как говорят, начинает стекать с острия. Во избежание этого в электротехнике высоких напряжений на проводниках тщательно устраняют острые углы, концы, выступы.

В абсолютной практической системе единиц МКСА поверхностная плотность заряда измеряется в кулонах на один квадратный метр.

1 Апрель, 2009              16003              ]]>Печать]]>
0 / 0 ( Нет оценки )

Добавить комментарий

Ваше имя

Текст

Контрольный вопрос

Dвa pлюs тpi ? (цифрой)

Вверх страницы