61. Электрическое поле и его характеристики

Эл-кое поле-разновидность материи, посредством которой осущ-ся силовое воздействие на эл-кие заряды нах-ся в этом поле. Силовая хар-ка – напряженность (отношение силы, действующей в данной точке поля на точечный заряд к этому заряду) Е=F/q. Эл-кое поле графически удобно представлять силовыми линиями, касательные к которым совпадают с направлением вектора напряженности в соотв-х точках поля. Энергетическая хар-ка – потенциал. Работа сил электростатического поля не зависит от траектории по которой перемещается заряд в этом поле ( такое поле – потенциальное. Работа сил электростатического поля по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю. Работа сил электростатического поля не зависит от: траектории заряда, нач и конечн. Точек перемещений, напряженности поля. Разность потенциалов – отношение работы, совершаемой силами поля при перемещении точечного положительного заряда из одной точки поля в другую, к этому заряду: U

12 = φ1 – φ2=A\q. Потенциалы в виде эквипотенциальных пов-стей. Силв. линии и эквипотенц. Пов-сти взаимно перпендик. Если поле создано N точечными зарядами, то напр-сть в некоторой точке можно вычислить как векторную сумму напр-стей полей , созд-х каждым зарядом в этой точке отдельно(принцип суперпозиции): E=∑^N_i=1Ei , а эл-кий потенциал как алгебр. Суммупотенц-в от каждого заряда.

62. Электрический диполь. Поле диполя. Диполь в электрическом поле.

Электрич.диполем наз. систему, сост. из 2 равных, но противополож. по знаку то­чечных электрич. зарядов, расп. на некотором расстоянии друг от друга (плечо диполя).

Основной харак-теристикой диполя (рис. 12.5) явл. его электрич. момент (дипольный момент) — вектор, рав­ный произ-нию заряда на плечо диполя l, направленный от от­риц. заряда к полож-ному: Единицей электрич. момента диполя явл. кулон-метр.

Поместим диполь в однород. электрич.поле напряженностью (рис. 12.6).

На каждый из зарядов диполя действуют силы

и , эти силы равны по модулю, противоположно направлены и создают момент пары сил. Как видно из рисунка, он равен или в векторной форме :

Таким образом, на диполь в однород. электрич. поле дей-ствует момент силы, зависящий от электрич. момента и ориентации диполя, а также напряженности поля. Диполь в неоднородном электрическом поле. В неод­нор. электрич. поле вращающее действие тоже имеет место, и диполь ориентир-ся вдоль соответ. линии поля. Однако в этом случае значения сил, д-щих на по­люса диполя (силы F⁺ и F^— на рис. 18.3), не одинаковы, и их сумма не равна нулю.=> возн. результирующая сила, втяг-щая диполь в область более сильного поля..

Результирующая сила зависит от изменения напряженности приходящегося на единицу длины диполя. Обозначим Е⁺ и Е^— модули напряженности поля у положит. и отриц. полюсов. Тогда Т.к. плечо диполя мало, то приближенно можно считать, что

где dE/dl — градиент поля. Таким образом, на диполь, который ориентирован вдоль си­ловой линии и имеет момент р, дей-ет сила, втягивающая его в область поля с большей напряж-тью:

Электрическое поле диполя: Сам диполь явл. источником электрич. поля, на­пряженность кот. зависит от дипольного момента р, от ди­электрической прониц-сти среды ε и геометрич. пара­метров. Пусть диполь нах. в непроводящей бесконечной среде и некоторая точка А удалена от его центра на расстояние Обозначим через α угол между вектором р и направ­лением на эту точку. Тогда потенциал, создаваемый диполем в точке Л, опр-ся следующей формулой (рис. 18.4):

Рис: потенциал эл.поля,

созд-го диполем

Электрическое поле и величины, его характеризующие

Пространство вокруг всякого электрического заряда или нескольких зарядов, через которые осуществляется взаимодействие между зарядами, называется

электрическим полем.

Электрическое поле – одна из сторон электромагнитного поля, которое представляет собой особый вид материи и характеризуется следующими свойствами:

1. Электромагнитное поле существует вокруг любой заряженной частицы или тела.

2. Поле характеризуется непрерывным распределением в пространстве.

3. Оно обладает массой.

4. Поле – носитель энергии.

5. Энергия поля может преобразовываться в другие виды энергии (механическую, химическую и др.)

Электрическое поле характеризуется следующими величинами:

1. напряженностью;

2. потенциалом;

3. напряжением.

Напряженностью электрического поля в данной точке называют величину, численно равную силе, с которой поле действует на единичный точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

Напряженность является векторной величиной. За направление вектора напряженности принимают направление силы, с которой поле действует на положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Эл. поле можно изображать с помощью эл. силовых линий так, чтобы вектора напряженности были направлены по касательной к эл. силовыми линиям.

Эл. силовые линии – это пути, по которым перемещается положительный заряд под действием поля.

С помощью эл. силовых линий можно показать интенсивность поля, при этом через площадку проводят линии, число которых пропорционально напряженности поля. Если в формулу напряженности подставить значение силы

Fиз закона Кулона, то получим:

Если поле создается несколькими точечными зарядами, то напряженность такого поля определяется как геометрическая сумма напряженностей, создаваемых каждым зарядом в отдельности.

Если угол не прямой, то используют теорему косинусов.

Электрическим напряжениемназывают отношение работы, совершаемой силами поля по перемещению пробного заряда из одной точки поля в другую, к величине этого заряда.

Эл. поле может быть однородным и неоднородным. В однородном поле вектора напряженности одинаковы по величине и по направлению.

Электрическое напряжение является энергетической характеристикой поля. Это величина скалярная.

Электрическим потенциаломв данной точке является величина, численно равная работе, затрачиваемой на перемещение единичного точечного (положительного) заряда из-за пределов поля в данную точку.

Потенциал – величина скалярная, он может быть положительным и отрицательным.

Для сравнения потенциалов введено условное понятие нулевого потенциала.Условно считают, что нулевой потенциал имеет поверхность Земли, и если потенциал выше нуля, то он положительный, а если ниже – отрицательный.

Разность потенциалов между двумя точками эл. поля называют напряжением между этими точками:

Связь между напряжением и напряженностью эл. поля определяется следующим образом. Работу по перемещению пробного заряда в эл. поле можно определить:

Задача

Дано:	Решение:

Проводники первого ряда: все металлы и их сплавы. Проводники второго ряда: электролиты.

Диэлектрики: керамика, стекло, слюда, кварц, асбест, пластмассы, каучук, минеральные масла, лаки, воздух и др.

Сдвинутые друг с другом под действием внешнего эл. поля и одновременно связанные заряженные частицы в пределах молекулы образуют диполь.

Это явление называется поляризацией диэлектрика. Если диэлектрик убрать из внешнего эл. поля, то поляризация полностью прекращается. Но некоторые диэлектрики (титанат бария, титанат свинца) с исчезновением поля сохраняют остаточную поляризацию.

Чем сильнее поляризуется диэлектрик, тем слабее Ерез при одном и том же Е и тем больше диэлектрическая проницаемость a.

Напряженность эл. поля, при которой наступает пробой диэлектрика, называется эл. прочностью диэлектрика, или пробивной напряженностью.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением.

Отношение называетсязапасом прочности.

Полупроводники занимают среднее место по проводимости между металлами и диэлектриками. С повышением температуры их проводимость увеличивается. К ним относятся: кремний, германий, селен, закись меди, сернисный свинец и др.

5.4. Электрическое поле и его характеристики

5.4. Электрическое поле и его характеристики

Заряды взаимодействуют не только при соприкосновении наэлектризованных тел, но и тогда, когда эти тела находятся на расстоянии друг от друга. Вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических зарядов на расстоянии, называется электрическим полем.

Электрическое поле всегда существует вокруг электрического заряда и имеет две характеристики: силовую (напряженность электрического поля в данной точке) и энергетическую (потенциал электрического поля в данной точке).

Напряженность Е электрического поля в какой-либо точке измеряется силой F, с которой поле действует на единичный положительный точечный заряд q, помещенный в эту точку:

Е = F/ q.

Напряженность электрического поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы F, действующей в данной точке на положительный заряд.

Потенциалом электрического поля в данной точке называется величина, численно равная значению потенциальной энергии единичного положительного точечного заряда, помещенного в этой точке.

Потенциалы точек электрического поля положительно заряженного тела положительны и уменьшаются по мере удаления от тела, а потенциалы точек электрического поля отрицательно заряженного тела отрицательны и увеличиваются при удалении от тела.

Потенциал наэлектризованного проводника становится тем больше, чем больше электричества сообщается ему.

Если электрическое поле создается несколькими зарядами, расположенными в различных точках пространства, то потенциал в каждой точке поля равен алгебраической сумме потенциалов полей всех зарядов в этой точке.

Разность потенциалов (ϕ 1 – ϕ 2) между двумя точками электрического поля получила название напряжения (U). Напряжение численно равно работе А, которую производят электрические силы при перемещении единичного положительного заряда q между двумя точками:

U = ϕ 1 – ϕ 2 = А / q.

В системе СИ за единицу разности потенциалов (единицу напряжения) принимается один вольт (1 В) – разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая один кулон электричества из одной точки в другую, совершают работу в один джоуль.

Если электрическое поле однородно, т.е. напряженность во всех точках поля постоянна по величине и направлению, то между напряженностью поля и разностью потенциалов существует взаимосвязь:

E = – U/ L, где L – длина силовой линии однородного электрического поля.

В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в единицах вольт/метр (В/м). 1 В/м – это напряженность такого однородного электрического поля, у которого разность потенциалов на концах силовой линии длиной в 1 м равна 1 В.

Основные параметры электрического поля

Электрическое поле – это пространство где проявляется действие электрических сил. Графически электрическое поле можно изобразить электрическими силовыми линиями.

Силовые линии электрического поля

Основная единица электрического заряда один кулон q – 1кл.

1кл = 6,3 × 1018 электронов.

Заряды, имеющие одноимённое значение отталкиваются, а разноименные притягиваются. В радиотехнике применяются поля ускоряющие и тормозящие.

Параметры электрического поля

Потенциал – φ – это отношение потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.

φ =

A q

=

1Дж 1кл

= 1B

Основная единица потенциала ровна 1в.

Разность потенциалов между двумя точками называется напряжение.

• U – напряжение
• φ1 – φ2 = U
• U = 1в

• 1в = 103мв = 106мкв
• 1кв = 103в

Разность потенциалов бывает между одноимёнными зарядами и разноимёнными.

φ1 = 10ед

φ2 = 3ед φ3 = –7ед

φ = 0

• φ1 – φ 2 = +10 – (+3) = +7ед
• φ2 – φ 1 = 3 – (+10) = –7ед
• φ1 – φ 3 = 10 – (–7) = 17ед

На управляющей сетке U относительно катода имеет отрицательный знак, так как напряжение на сетке меньше, а 25в чем на катоде.

Напряженность электрического поля

 

 

 

Напряжённость – это отношение силы, с которой электрическое поле действует на заряд к величине этого заряда.

• Если E ровняется cons+ то поле называется однородное.
• Если E ровно не cons+ то поле называется не однородное.

Закон Кулона – сила взаимодействия между двумя зарядами прямо пропорционально произведению этих зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними и зависит от среды, в которой происходит взаимодействие.

• F – сила взаимодействия (H)
• q1 – q2 – заряды (K)
• r – расстояние (M)
• ε – диэлектрическая проницаемость вещества

Электростатическое поле и его характеристики

⇐ ПредыдущаяСтр 12 из 27Следующая ⇒

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех заряженных элементарных частиц одинаков по абсолютной величине и равен 1,6×10^–19 Кл. Носителем элементарного отрицательного электрического заряда является, например, электрон. Протон несет положительный заряд, нейтрон электрического заряда не имеет. Атомы и молекулы всех веществ построены из протонов, нейтронов и электронов. Обычно протоны и электроны присутствуют в равных количествах и распределены в веществе с одинаковой плотностью, поэтому тела нейтральны. Процесс электризации заключается в создании в теле избытка частиц одного знака или в их перераспределении (создании в одной части тела избытка заряда одного знака; при этом в целом тело остается нейтральным).

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами осуществляется через особую форму материи, называемую электрическим полем. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электростатическое поле. Это поле проявляет себя в силовом действии на любой электрический заряд, помещенный в какую-либо его точку. Опыт показывает, что отношение силы , действующей на точечный заряд q, помещенный в данную точку электростатического поля, к величине этого заряда для всех зарядов оказывается одинаковым. Это отношение называется напряженностьюэлектрического поляи является его силовой характеристикой:

 

(2.6.5)

 

Опытным путем установлено, что для электростатического поля справедлив принцип суперпозиции:электростатическое поле , порождаемое несколькими зарядами, равно векторной сумме электростатических полей , порождаемых каждым зарядом в отдельности:

. (2.6.6)

 

Заряды, помещенные в электростатическое поле, обладают потенциальной энергией. Опыт показывает, что отношение потенциальной энергии W положительного точечного заряда q, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда есть величина постоянная. Это отношение является энергетической характеристикой электростатического поля и называется потенциалом:

 

φ = W/q. (2.6.7)

 

Потенциал электростатического поля численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в бесконечность. Единица измерения вольт (В). Две характеристики электростатического поля – напряженность и потенциал связаны между собой соотношением [ср. с выражением (2.6.4)]

 

(2.6.8)

 

Знак “минус” указывает, что вектор напряженности электрического поля направлен в сторону уменьшения потенциала. Отметим, что если в некоторой области пространства потенциалы всех точек имеют одинаковый потенциал, то

Электростатическое поле также можно изображать графически с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой линиейэлектрического поля называется воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности . Силовые линии электростатического поля оказываются разомкнутыми:они могут начинаться или заканчиваться только на зарядах либо уходить в бесконечность.

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля используют эквипотенциальные поверхности – поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одинаковое значение.

Легко показать, что силовая линия электростатического поля всегда пересекает эквипотенциальную поверхность под прямым углом. На рисунке 10 представлены силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечных электрических зарядов.

 

Рисунок 10 – Силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечных зарядов

 

Магнитное поле

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током и постоянные магниты. Название “магнитное поле” связывают с фактом ориентации магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (Х. Эрстед, 1820).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током, поворачивая их определенным образом. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого свободно устанавливается ось тонкой магнитной стрелки в направлении с юга на север или положительная нормаль к плоскому контуру с током.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Магнитная индукция в данной точке численно равна максимальному вращающему моменту, действующему на плоскую рамку с током с магнитным моментом p_m=1 А×м²:

B=M_max/p_m. (2.6.9)

 

Опытным путем установлено, что для магнитного поля также справедлив принцип суперпозиции:магнитное поле , порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме магнитных полей , порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности:

 

(2.6.10)

 

Магнитное поле изображают с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции . Силовые линии магнитного поля можно “проявить” с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам. Опыт показывает, что линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от силовых линий электростатического и гравитационного полей, которые являются разомкнутыми. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.

На рисунке 11 представлены силовые линии магнитного поля полосового магнита. Видно, что магнитное поле имеет замкнутые силовые линии; это поле неоднородно. Однородное магнитное поле можно получить с помощью соленоида.

 

 

Рисунок 11 Магнитное поле полосового магнита



Электромагнитное поле, его виды, характеристики и классификация.

2.1 Основные определения. Виды электромагнитного поля.

• Электромагнитное поле – это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

• Электрическое поле – создается электрическими зарядами и заряженными частицами в пространстве. На рисунке представлена картина силовых линий (воображаемых линий, используемых для наглядного представления полей) электрического поля для двух покоящихся заряженных частиц:

• Магнитное поле – создается при движении электрических зарядов по проводнику. Картина силовых линий поля для одиночного проводника представлена на рисунке:

Физической причиной существования электромагнитного поля является то, что изменяющееся во времени электрическое поле возбуждает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле – вихревое электрическое поле. Непрерывно изменяясь, обе компоненты поддерживают существование электромагнитного поля. Поле неподвижной или равномерно движущейся частицы неразрывно связано с носителем (заряженной частицей).

Однако при ускоренном движении носителей электромагнитное поле «срывается» с них и существует в окружающей среде независимо, в виде электромагнитной волны, не исчезая с устранением носителя (например, радиоволны не исчезают при исчезновении тока (перемещения носителей – электронов) в излучающей их антенне).

2.2 Основные характеристики электромагнитного поля.

Электрическое полехарактеризуетсянапряженностью электрического поля(обозначение «E», размерность СИ – В/м, вектор).Магнитное полехарактеризуетсянапряженностью магнитного поля(обозначение «H», размерность СИ – А/м, вектор). Измерению обычно подвергается модуль (длина) вектора.

Электромагнитные волныхарактеризуютсядлиной волны(обозначение «», размерность СИ — м), излучающий их источник –частотой(обозначение – «», размерность СИ — Гц). На рисунке Е – вектор напряженности электрического поля,H– вектор напряженности магнитного поля.

При частотах 3 – 300 Гц в качестве характеристики магнитного поля может также использоваться понятие магнитной индукции(обозначение «B», размерность СИ — Тл).

2.3 Классификация электромагнитных полей.

Наиболее применяемой является так называемая «зональная» классификация электромагнитных полей по степени удаленности от источника/носителя.

По этой классификации электромагнитное поле подразделяется на «ближнюю» и «дальнюю» зоны. «Ближняя» зона (иногда называемаязоной индукции) простирается до расстояния от источника, равного 0-3, где- длина порождаемой полем электромагнитной волны. При этом напряженность поля быстро убывает (пропорционально квадрату или кубу расстояния до источника). В этой зоне порождаемая электромагнитная волна еще не полностью сформирована.

«Дальняя» зона – это зона сформировавшейся электромагнитной волны. Здесь напряженность поля убывает обратно пропорционально расстоянию до источника. В этой зоне справедливо экспериментально определенное соотношение между напряженностями электрического и магнитного полей:

E = 377H

где 377 – константа, волновое сопротивление вакуума, Ом.

Электромагнитные волныпринято классифицировать по частотам:

Наименование частотного диапазона	Границы диапазона	Наименование волнового диапазона	Границы диапазона
Крайние низкие, КНЧ	[3..30] Гц	Декамегаметровые	[100..10] Мм
Сверхнизкие, СНЧ	[30..300] Гц	Мегаметровые	[10..1] Мм
Инфранизкие, ИНЧ	[0,3..3] Кгц	Гектокилометровые	[1000..100] км
Очень низкие, ОНЧ	[3..30] Кгц	Мириаметровые	[100..10] км
Низкие частоты, НЧ	[30..300] Кгц	Километровые	[10..1] км
Средние, СЧ	[0,3..3] МГц	Гектометровые	[1..0,1] км
Высокие, ВЧ	[3..30] МГц	Декаметровые	[100..10] м
Очень высокие, ОВЧ	[30..300] МГц	Метровые	[10..1] м
Ультравысокие, УВЧ	[0,3..3] ГГц	Дециметровые	[1..0,1] м
Сверхвысокие, СВЧ	[3..30] ГГц	Сантиметровые	[10..1] см
Крайне высокие, КВЧ	[30..300] ГГц	Миллиметровые	[10..1] мм
Гипервысокие, ГВЧ	[300..3000] ГГц	Децимиллиметровые	[1..0,1] мм

Измеряют обычно только напряженность электрического поля E. При частотах выше 300 МГц иногда измеряетсяплотность потока энергииволны, или вектор Пойтинга (обозначение «S», размерность СИ – Вт/м²).