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).

Вокруг каждой частицы существует электрическое поле. А напряженность электрического поля

Опытным путем установлено, что во всяком теле содержится большое количество мельчайших частиц, заряженных электричеством. Часто в объеме тела находятся в среднем равные количества положительно и отрицательно заряженных частиц и, как говорят, электрических зарядов, вокруг которых имеется электрическое поле. Такое тело является электрически нейтральным.

В электрически заряженном теле (или участке тела) обладают образовавшиеся по какой-либо причине положительные или отрицательные заряды.
Если вблизи заряженного тела (частицы) находится другое заряженное тело (частица), то между ними возникают силы электрического взаимодействия. Разноименные заряженные частицы притягиваются друг к другу, одноименно заряженные отталкиваются.

Взаимодействие заряженных частиц объясняется тем, что каждую из них окружает электрическое поле. Электрическое поле обладает энергией, которая называется электрической; поэтому, если в электрическое поле, окружающее заряженную частицу, внести другую заряженную частицу, то последняя будет испытывать действие силы поля. В свою очередь поле второй частицы будет действовать на первую частицу. Под действием сил поля частицы могут перемещаться; в этом случае производится работа за счет энергии поля. Электрически заряженные частицы и электрическое поле являются двумя неразрывно связанными видами материи. Электрическое поле вокруг неподвижного заряда называются электростатическим полем.

Внесем в электрическое поле заряда Q другой очень маленький (по сравнению с Q) «пробный» заряд q.

Силу поля, действующего на зарядq, обозначают F. Сила F будет пропорциональна величине пробного заряда, но при неизменной величине q может иметь разную величину в разных электрических полях или в отдельных точках одного и того же поля; это указывает нам, что величина силы зависит не только от величины пробного заряда, но и от интенсивности поля в той точке, где находится пробный заряд. Величина, характеризующая интенсивность электрического поля, называется напряженностью и обозначается Е. Как показывают опыты Кулона, напряженность поля заряда Q пропорциональна его величине. Таким образом, сила поля, действующая на пробный заряд.

F=Eq(1-1)

Пользуясь зависимостью (1-1), найдем напряженность электрического поля:

E=F/q (1-2)

Мы уже указывали, что сила прямо пропорциональна величине пробного заряда поэтому если пробный заряд увеличится (или уменьшится) в несколько раз, то во столько же раз увеличится (или уменьшится) сила F, а их отношение не изменится. Таким образом, напряженность поля не зависит ни от силы, ни от величины пробного заряда является характеристикой только самого электрического поля.

При q, равном единице, E численно равно F, т.е. напряженность электрического поля численно равна силе поля, действующей на электрический заряд, равный единице.

Напряженность, как и сила, — векторная величина. За направление вектора напряженности принимают направление силы, с которой поле действует на положительно заряженную частицу, находящуюся в данной точке электрического поля.

Рис. 1-1

На рис. 1-1 показано направление вектора напряженности электрического поля E между плоскими пластинами, имеющими равные по величине заряды разных знаков +Q и —Q. Вектор E направлен от положительно заряженной пластины к отрицательно заряженной, так как положительно заряженная частица, помещенная между пластинами, будет притягиваться к отрицательно заряженной и отталкиваться от положительно заряженной.

Электрическое поле изображается линиями напряженности электрического поля (электрическими линиями). Электрическая линия проводится в поле так, чтобы вектор напряженности электрического поля в каждой точке был направлен по касательной к электрической линии в этой точке. Электрические линии не замкнуты; они начинаются на телах, обладающих положительным электрическим зарядом, и оканчиваются на телах, обладающих отрицательным зарядом.

рис. 1-2

На рис. 1-1 и 1-2 в качестве примеров даны изображения простейших электрических полей: между двумя параллельными разноименно заряженными пластинами и вокруг уединенных электрически заряженных шариков.

Электрическими линиями можно воспользоваться для наглядного изображения интенсивности поля, т.е. величины напряженности поля. Для этого через единичную площадку, перпендикулярную к направлению электрических линий, проводится такое число линий, которое равно или пропорционально напряженности поля.

Если во всех точках электрического поля векторы напряженности равны друг другу, то такое электрическое поле называется однородным.

Так, например, поле между пластинами (см. рис. 1-1) в области, достаточно удаленной от краев пластин, будет однородным.

Электрическое поле

область вокруг заряженной частицы, в пределах которой другие заряженная частица испытает электростатическое сила отталкивания или притяжения называется электрическим полем.

Электрическое поле также называют электростатическим полем. Электростатическая сила или электрическая сила создается статическими электрическими зарядами т.е. электроны и протоны.

Электрический напряженность поля

сила или напряженность электрического поля в любой точке в электрическом поле называется электрическим полем прочность.

Для описания электрического поля мы необходимо указать его силу. Сила электрического поля в любой точке электрического поля определяется размещение единичного заряда в этой точке. Когда единица заряд помещен в электрическое поле, он испытает электрическая сила. Эта электрическая сила либо привлекательным или отталкивающим.

количество электрической силы, действующей на единичный заряд, помещенный в любая точка в пределах электрического поля называется электрическим полем силы или напряженности электрического поля.

Если количество силы, действующей на единицу заряда в данной точке меньше, напряженность электрического поля в этой точке меньше. Аналогично, если сила, действующая на единицу заряд в данной точке велик, напряженность электрического поля в этот момент высока. Напряженность или напряженность электрического поля – векторная величина; она имеет как величину, так и направление.

Электрический напряженность поля может быть математически определена как сила на плата за единицу

 

As мы знаем, что сила измеряется в ньютонах, а заряд измеряется в кулонах. Следовательно, напряженность электрического поля равна измеряется в ньютонах на кулон (N/C).

Типы электрического поля

Электрические поля имеют четыре типы:

• Однородное электрическое поле
  
• Неоднородное электрическое поле
• Статическое электрическое поле
• Изменяющееся во времени электрическое поле

Униформа электрическое поле – это электрическое поле, в котором в каждой точке внутри электрического поля имеет постоянное электрическое поле прочность.

Неоднородный электрическое поле – это электрическое поле, в котором при любых двух точки внутри электрического поля не имеет постоянной напряженность электрического поля.

напряженность электрического поля, не зависящая от относительно времени называется статическим электрическим полем. Этот статический электрическое поле создается статическими электрическими зарядами.

напряженность электрического поля, которая изменяется по отношению к время называется изменяющимся во времени электрическим полем.

Химия электрических полей: виды и причины

Задумывались ли вы когда-нибудь, что вызывает удары молнии во время грозы? Почему в атоме электроны, вращающиеся вокруг ядра, не разлетаются, хотя и летят с такой большой скоростью?

Оба они вызваны одним и тем же явлением, называемым электрическим полем .

Определение электрических полей

Электрическое поле — это область в пространстве вокруг электрического заряда, в которой другой электрический заряд будет испытывать силу. Электрическое поле измеряется в единицах NC ^-1 (ньютонов на кулон).

Электрические заряды воздействуют друг на друга. Аналогично магнитным полюсам, одинаковые заряды отталкивают друг друга, а противоположные заряды притягивают друг друга. Положительно заряженная частица будет притягивать отрицательно заряженную частицу и отталкивать другую положительно заряженную частицу. Это отношение сил на заряды в электрическом поле определяется формулой:

Здесь,

E — Величина электрического поля,

F — Сила, действующая на заряд q,

q — Точечный заряд.

Если вы перераспределите уравнение, вы можете сделать вывод, что большее количество силы будет испытывать больший заряд. Вы также можете понять, почему единицы измерения электрического поля NC ^-1 : сила измеряется в ньютонах, а заряд измеряется в кулонах, поэтому F/q ≈ N/C.

Электрические поля можно визуализировать как электрическое поле строк . Линии электрического поля исходят из положительно заряженной частицы, но сходятся в отрицательно заряженную частицу. Электрические поля для положительной частицы возникают и продолжаются бесконечно, тогда как поля отрицательно заряженных частиц возникают из бесконечности и сходятся на самой частице.

Рис. 1 – Электрическое поле вокруг точечного положительного заряда

Рис. 2 – Электрическое поле вокруг точечного отрицательного заряда

Рис. 3 — Электрическое поле между двумя противоположно заряженными параллельными пластинами

Важно знать, что электрическое поле представляет собой вектор количество .

Вектор является величиной, имеющей и величину, и направление, в то время как скалярная величина имеет только величину .

Следовательно, электрические поля также можно визуализировать с помощью векторов. Результирующее электрическое поле в любой точке пространства равно сумме всех векторов электрического поля в этой точке.

Свойства электрических полей

Электрические поля обладают следующими свойствами:

• Линии электрического поля никогда не пересекаются друг с другом. Если бы они это сделали, это означало бы, что в какой-то точке пространства было бы электрическое поле одновременно в двух направлениях, что , а не возможно.

• Электрические поля сильны там, где линии электрического поля ближе друг к другу, и наоборот.

• Электрические поля всегда перпендикулярны заряженной поверхности.

• Количество линий электрического поля пропорционально электрическому заряду.

• Силовые линии электрического поля начинаются с положительного заряда и заканчиваются на отрицательном заряде.

• Если присутствует только один заряд, электрическое поле начинается или заканчивается в бесконечности.

Легко сравнивать электрические поля с магнитными полями. Однако у них есть некоторые отличия.

• Линии электрического поля возникают из положительного заряда. Линии магнитного поля выходят из северного полюса.
• Линии электрического поля сливаются в отрицательный заряд. Линии магнитного поля сходятся к южному полюсу.
• Линии электрического поля никогда не пересекаются, что аналогично свойству силовых линий магнитного поля.
• Как линии электрического поля, так и линии магнитного поля являются векторными величинами, т. е. имеют величину и направление.
• Плотность силовых линий уменьшается по мере их распространения как для электрических, так и для магнитных полей.

Одно существенное отличие состоит в том, что силовые линии магнитного поля могут существовать только при наличии магнитного диполя, т. е. при наличии как северного, так и южного полюсов. Поскольку магниты не могут существовать без одного из своих полюсов, силовые линии магнитного поля всегда образуют замкнутые петли между северным полюсом и южным полюсом.

Однако электрические заряды могут существовать как изолированные положительные или отрицательные заряды.

Типы электрических полей

Существует два типа электрических полей.

Однородное электрическое поле

Как следует из названия, электрическое поле называется однородным, если оно не меняется на расстоянии. Заряд (q) испытал бы ту же самую величину и направление силы в любой точке в однородном электрическом поле.

В качестве примера рассмотрим электрическое поле между двумя противоположно заряженными параллельными пластинами, как показано на рисунке ниже.

Рис. 4 – Линии однородного электрического поля

Неоднородное электрическое поле

Опять же, как следует из названия, неоднородное электрическое поле не является постоянным и может меняться от точки к точке. Заряд (q) будет испытывать различную величину или направление (или и то, и другое) силы в разных точках в неоднородном электрическом поле.

Рассмотрим приведенный ниже пример, в котором показано электрическое поле от одиночного точечного заряда.

Рис. 5 – Линии неоднородного электрического поля

Электрические поля, исходящие от субатомных заряженных частиц (электронов и протонов), удерживают атом вместе. Без них атом перестал бы существовать, а значит, и все остальное тоже. Электрические поля также ответственны за молекулярное взаимодействие в химических реакциях.

Закон Кулона

Закон Кулона говорит нам, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но помимо этих рудиментарных утверждений закон Кулона также дает формулу, которая количественно определяет эту силу притяжения или отталкивания.

Сила притяжения (или отталкивания) между двумя точечными зарядами:

1. Обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними

2. Прямо пропорциональна произведению двух зарядов

Следовательно , сила между точечными зарядами может быть выражена как —

Где константа пропорциональности k имеет значение —

Где ε₀ = 8,854 99 Н·м ² C ^-2 .

Поскольку мы знаем формулу для силы, действующей на заряд q2 из-за заряда q1, мы можем найти напряженность электрического поля из-за заряда q1 в точке r . Просто замените первое уравнение уравнением, которое дал нам закон Кулона.

Причины возникновения электрических полей

Что на самом деле вызывает образование электрического поля? Как можно создать электрическое поле? Электрические поля образуются при разнице в электрический потенциал между 2 точками в пространстве.

Электрический потенциал определяется как количество работы, необходимой для перемещения единиц заряда из бесконечности в точку в электрическом поле.

Рассмотрим заряд Q. Электрический потенциал в точке на расстоянии r от заряда Q:

• Прямо пропорционален Q. Чем больше заряд, тем выше электрический потенциал в этой точке.
• Обратно пропорциональна r. Чем больше расстояние, тем ниже электрический потенциал в этой точке.

Другими словами,

Подставив константу пропорциональности, k = 1/(4 πϵ ₀ ),

Создайте маленькое электрическое поле сами!

Возьмите пластиковую линейку/расческу и протрите ею волосы или кусок ткани. Поднесите его к небольшому листу бумаги. Что ты заметил? Бумага как бы притягивается к линейке. Это связано с тем, что трение пластика заставляет его приобретать статический отрицательный заряд, вокруг которого возникает статическое электрическое поле. Между линейкой и бумагой существует разность потенциалов; когда бумага находится вблизи этого электрического поля, она испытывает к нему силу.

Помните, мы установили, что электрическое поле является результатом разности электрических потенциалов между двумя точками? Математически это можно выразить следующим образом:

Если вы продолжите и продифференцируете V _elec по отношению к r, , вы получите формулу для электрического поля. Отрицательный знак указывает на то, что напряженность электрического поля уменьшается по мере удаления от заряда (т. е. по мере увеличения r). Обратите внимание, что E и r — векторные величины в этом уравнении, а V _elec — скалярная величина.

Электрическая потенциальная энергия

Как указывалось ранее, электрическая потенциальная энергия — это энергия, необходимая для перемещения заряда через электрическое поле. Энергия требуется для перемещения заряда через электрическое поле, поскольку заряд постоянно испытывает силу из-за электрического поля. Его также можно определить как общую энергию, необходимую для удержания системы из двух зарядов в определенной конфигурации из-за электростатических сил между двумя зарядами.

Рассмотрим 2 точечных заряда q1 и q2, разделенных расстоянием r. Электрическая потенциальная энергия этой системы (U _elec ) определяется выражением:

. их на расстоянии r запасается в этой системе как ее потенциальная энергия. И наоборот, работа, совершаемая электростатическими силами зарядов друг на друга, равна отрицательной величине потенциальной энергии системы. Как и любая другая форма энергии, U _elec измеряется в джоулях.

Если внимательно посмотреть на уравнение для U _elec , можно сделать вывод, что можно получить U _elec , умножив электрический потенциал на заряд q. Это дает нам потенциальную энергию, необходимую для удержания одного заряда на расстоянии r от другого заряда.

Химия электрических полей. Ключевые выводы

• Электрическое поле — это область вокруг заряженной частицы, в которой другие заряженные частицы будут испытывать силу.
• Электрическое поле можно визуализировать с помощью линий электрического поля, очень похожих на линии магнитного поля.
• При наличии единственного положительного точечного заряда линии электрического поля выходят из точечного заряда и заканчиваются на бесконечности. Если присутствует одиночный отрицательный точечный заряд, силовые линии электрического поля начинаются на бесконечности и заканчиваются у точечного заряда.