Что называется электростатическим полем

Поля заряженных частиц, электромагнитные и электростатические поля и их составляющие

Частицы и поля — два вида материи. Особенностью взаимодействия частиц является то, что оно осуществляется не при непосредственном контакте их, а на некотором расстоянии между ними.

Это объясняется тем, что частицы связаны с полем, окружающим их и обусловливающим взаимодействие между ними. Таким образом, частицы взаимодействуют через свои поля.

Поля распределяются в пространстве, в противоположность дискретным частицам, непрерывно. Некоторые взаимодействия имеют двойственный характер. Так, например, электромагнитное поле, распространяясь в пространстве в виде волн, одновременно обнаруживается в виде дискретных частиц — фотонов.

В природе встречаются поля разных видов: гравитационное (тяготения), магнитостатическое, электростатическое, ядерное и др. Каждое поле характеризуется отличительными, ему присущими свойствами.

Между двумя видами материи — частицами и полями — имеется внутренняя связь, которая проявляется прежде всего в том, что любое изменение состояния частиц непосредственно отражается на поле (и наоборот, всякое изменение поля влияет на частицы), а также в наличии у них общих свойств: массы, энергии, импульса или количества движения и др.

Кроме того, частицы могут превращаться в поле, а поле — в такие же частицы. Все это свидетельствует о том, что вещество и поле являются двумя видами материи.

Наряду с этим между полями и частицами имеется и различие, позволяющее рассматривать их как разные виды материи.

Это различие заключается в том, что элементарные частицы дискретны и занимают определенный объем, они непроницаемы для других частиц: один и тот же объем не может быть занят разными телами и частицами. Поля же непрерывны и обладают большой проницаемостью: в одном и том же объеме пространства одновременно могут находиться поля различного вида.

Частицы и тела могут перемещаться в пространстве под действием внешних сил ускоренно или замедленно, т. е. скорость движения частиц в пространстве может быть различна. Поля же распространяются в пространстве с одной и той же скоростью, например в вакууме — со скоростью, равной скорости распространения света.

Поскольку частицы и поля тесно связаны между собой и представляют собой единое целое, в пространстве невозможно установить точную границу между частицей и ее полем.

Однако можно указать очень малую область пространства, в которой проявляются свойства дискретной частицы. В этом смысле условно можно определять размеры элементарных частиц. В пространстве за пределами указанной области можно считать, что существует только поле, связанное с элементарной частицей.

Электромагнитное поле и его составляющие

В электротехнике рассматривается поле, которое обусловливается движением частиц, несущих электрические заряды. Такое поле носит название электромагнитного. Явления, связанные с распространением этого поля, называются электромагнитными явлениями.

Электроны, обращаясь в атоме вокруг ядра, взаимодействуют с протонами через электрическое поле, в то же время движение их эквивалентно электрическому току, который, как показывает опыт, всегда связан с наличием магнитного поля.

Следовательно, поле, через которое взаимодействуют между собой элементарные частицы атома, т. е. электромагнитное поле, состоит из двух полей: электрического и магнитного. Эти поля взаимно связаны и неотделимы друг от друга.

Внешне электромагнитное поле при макроскопическом рассмотрении в одних случаях проявляется в виде стационарного, а в других случаях в виде переменного поля.

При стационарном состоянии атомов данного вещества как электрическое (в этом случае поле в атомах полностью связано равными по значению зарядами разных знаков), так и магнитное поля (из-за хаотической ориентации орбит электронов) во внешнем пространстве не обнаруживаются.

Однако, если равновесие в атоме нарушается (образуется ион, на хаотическое движение накладывается направленное движение, элементарные токи магнитных веществ ориентируются в одном направлении и т. п.), то вне этого вещества поле может быть обнаружено. При этом, если указанное состояние поддерживается неизменным, то характеристики поля имеют значение, постоянное во времени. Такое поле называется стационарным полем.

Стационарное поле при макроскопическом рассмотрении в ряде случаев обнаруживается лишь в виде одной составляющей: либо в виде электрического поля (например, поле неподвижных заряженных тел), либо в виде магнитного поля (например, поле постоянных магнитов).

Составляющие стационарного электромагнитного поля неотделимы от движущихся заряженных частиц: электрическая составляющая связана с электрическими зарядами, а магнитная составляющая сопровождает (окружает) движущиеся заряженные частицы.

Переменное электромагнитное поле образуется в результате изменяющегося или колебательного движения заряженных частиц, систем или составляющих стационарных полей. Особенностью такого поля высокой частоты является то, что, возникнув (после излучения источником), оно отрывается от источника и уходит в окружающую среду в виде волн.

Электрическая составляющая этого поля существует в свободном состоянии, отделенной от вещественных частиц и носит вихревой характер. Таким же полем является и магнитная составляющая: она также существует в свободном состоянии, несвязанно с движущимися зарядами (или электрическим током). Однако оба эти поля составляют одно неразрывное целое и в процессе движения в пространстве непрерывно преобразуются одно в другое.

Переменное электромагнитное поле обнаруживается по воздействию на находящиеся на пути его распространения частицы и системы, которые могут быть приведены в колебательное движение, а также с помощью устройств, преобразующих энергию электромагнитного поля в энергию другого вида (например, тепловую).

Частным случаем является действие этого поля на зрительные органы живых существ (свет представляет собой электромагнитные волны).

Составляющие электромагнитного поля — электрическое и магнитное поля были открыты и изучены раньше электромагнитного поля, причем независимо друг от друга: никакой связи между ними тогда не было обнаружено. Это и привело к тому, что оба поля считались независимыми.

Однако теоретические соображения, подтвержденные затем опытом, показали, что между электрическим и магнитным полями существует неразрывная связь и любое электрическое или магнитное явление всегда оказывается электромагнитным.

Электростатическое поле

Одно только электрическое поле обнаруживается в вакууме или диэлектрической среде вокруг неподвижных относительно наблюдателя изолированных тел с избыточными неизменными в пространстве и во времени (в макроскопическом смысле) электрическими зарядами одного знака, полученными при ионизации атомов (в результате электризации, смотрите — Электризация тел, взаимодействие зарядов). Такое поле называется электростатическим.

Электростатическое поле является разновидностью стационарного электрического поля и отличается от него тем, что элементарные заряженные частицы, обусловливающие электростатическое поле, находятся только в хаотическом движении, тогда как стационарное поле определяется направленным движением электронов, которое накладывается на хаотическое движение.

В этом поле постоянство характеристик обусловливается непрерывным воспроизведением распределения зарядов в поле (равновесный процесс).

В электростатическом поле суммарное действие большого числа однозначно заряженных частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении в различных направлениях, воспринимается вне заряженного тела как поле неизменного во времени электрического заряда одного знака.

Действие магнитной составляющей в электростатическом поле из-за хаотического движения носителей зарядов во внешнем пространстве взаимно нейтрализуется и поэтому не обнаруживается.

Отличительной особенностью электростатического поля является наличие истока и стока — тел, которым сообщены избыточные заряды разных знаков (тел, из которых как бы вытекает и в которые втекает это поле).

Электростатическое поле и наэлектризованные тела, являющиеся истоками и стоками поля, неотделимы друг от друга, представляя собой единое физическое целое.

Этим электростатическое поле отличается от электрической составляющей переменного электромагнитного поля, которая, существуя в свободном состоянии, имеет вихревой характер, не имеет истока и стока.

На поддержание данного состояния электростатического поля энергия не расходуется. Она необходима только при установлении этого поля (для непрерывного излучения электромагнитного поля необходима затрата энергии).

Электростатическое поле может быть обнаружено по механической силе, действующей на неподвижные заряженные тела, помещенные в это поле, а также по индуцированию, или наведению электростатических зарядов на неподвижных металлических телах, и по поляризации неподвижных диэлектрических тел, помещенных в это поле.

Что такое электрическое поле, его классификация и характеристики

Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Рис. 1. Определение понятия «электрическое поле»

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

  • реагирует на присутствие заряженных частиц;
  • взаимодействует с магнитными полями;
  • является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
  • поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.

В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).

Рис. 2. Пример однородности

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.

Рис. 3. Электрический диполь Рис. 4. Вихревые поля

Характеристики

Основными характеристиками являются:

  • потенциал;
  • напряжённость;
  • напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Рис. 5. Электрическое поле положительного и отрицательного вектора напряжённости

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε0⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Рис. 6. Направление линий напряжённости положительных и отрицательных зарядов

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

  • электростатического;
  • дипольного;
  • системы и одноимённых зарядов;
  • однородного поля.

Рис. 7. Линии напряжённости различных полей

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.

Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.

Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

  • метод сеток или конечных разностей;
  • метод эквивалентных зарядов;
  • вариационные методы;
  • расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.

Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Напряженность электрического поля – это силовая характеристика, которая используется для количественного определения электрического поля.

Второе значение термина – физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда.

Напряженность электрического поля можно задать формулой:

Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора E → совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.

Напряженность электрического поля

Какое поле называют электростатическим?

Электростатическое поле – это электрическое поле, которое окружает неподвижные и не меняющиеся со временем заряды.

Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.

Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.

Напряженность электрического поля, которая создается в определенной точке пространства системой зарядов, будет равна векторной сумме напряженностей электрических полей:

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.

Согласно формуле, напряженность электростатического поля, которое создается точечным зарядом Q на расстоянии r от него, в соответствии с законом Кулона, будет равна по модулю:

E = 1 4 πε 0 · Q r 2 .

Это поле называется кулоновским.

В кулоновском поле направление вектора E ⇀ зависит от знака заряда Q : если Q > 0 , то вектор E ⇀ направлен по радиусу от заряда, если Q 0 , то вектор E ⇀ направлен к заряду.

Обратимся к иллюстрации. На рисунке для большей наглядности мы используем силовые линии электрического поля. Они проходят таким образом, чтобы направление вектора E ⇀ в каждой из точек пространства совпадало с направлением касательной к силовой линии. Густота силовых линий соответствует модулю вектора напряженности поля.

Рисунок 1 . 2 . 1 . Силовые линии электрического поля.

Мы можем использовать как положительные, так и отрицательные точечные заряды. Оба эти случая мы изобразили на рисунке. Электростатическое поле, которое создается системой зарядов, мы можем представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов. В связи с этим мы можем рассматривать поля точечных зарядов как элементарные структурные единицы любого электрического поля.

Рисунок 1 . 2 . 2 . Силовые линии кулоновских полей.

Кулоновское поле точечного заряда Q удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор r → от заряда Q к точке наблюдения. Тогда при Q > 0 вектор E → параллелен r → , а при Q 0 вектор E → антипараллелен r → .

Следовательно можно записать:

E → = 1 4 π ε 0 · Q r 3 r → ,

где r – модуль радиус-вектора r → .

По заданному распределению зарядов можно определить электрическое поле E → . Такие задачи часто встречаются в таком разделе физики как электростатика. Рассмотрим пример такой задачи.

Предположим, что нам нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити на расстоянии R от нее. Для большей наглядности мы привели схему на рисунке ниже.

Рисунок 1 . 2 . 3 . Электрическое поле заряженной нити.

Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δ x нити, с зарядом τ Δ x , где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей ∆ E → . Результирующее поле оказывается равным

Вектор E → везде направлен по радиусу R → . Это следует из симметрии задачи.

Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Рисунок 1 . 2 . 4 . Модель электрического поля точечных зарядов.

Рисунок 1 . 2 . 5 . Модель движения заряда в электрическом поле.

Понятие о диполях

Электрический диполь – это система из двух одинаковых по модулю зарядов, которые отличаются знаками и расположены на некотором расстоянии друг от друга.

Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.

Рисунок 1 . 2 . 6 . Силовые линии поля электрического диполя E → = E 1 → + E 2 → .

Дипольный момент p → является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:

где l → – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль l → = l .

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды ( H 2 O ) , так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105 ° . Дипольный момент молекулы воды p = 6 , 2 · 10 – 30 К л · м .

Рисунок 1 . 2 . 7 . Дипольный момент молекулы воды.

Электростатическое поле и его характеристики

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 pm=1 А×м 2 :

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

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ (синоним статическое электрическое поле) — электрическое поле неподвижных (статических) электрических зарядов. Электростатическое поле представляет собой особую форму электрического поля, которое в общем случае является составляющей электромагнитного поля (см.). Электростатическое поле, возникающее в результате скопления электрических зарядов на поверхности тела человека, обладает неспецифическим действием на организм. В основе этого действия, как полагают, лежит нейрорефлекторный механизм (см. Статическое электричество), однако определенного заболевания электростатическое поле у человека не вызывает.

Силовой характеристикой электростатического поля, как и электрического поля, является напряженность (Е) — векторная величина, численное значение к-рой равно отношению силы (F), действующей в данной точке поля на точечный положительный заряд, к величине (q) этого заряда : Е = F/q.

Направление напряженности электростатического поля совпадает с направлением этой силы. Как и электрическое поле, элекстростатическое поле условно представляется силовыми линиями, направление касательных к которым совпадает с направлением вектора напряженности электростатического поля в тех же точках поля. Силовые линии электростатического поля ориентированы от положительного заряда к отрицательному, их конфигурация зависит от формы поверхностей, на которых расположены заряды.

Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал φ, который в каждой данной точке поля равен отношению потенциальной энергии (П) взаимодействия заряда с электростатического поля к величине этого заряда: φ = П/q.

Практическое значение имеет разность потенциалов, или напряжение (U), между двумя точками поля: U = φ1 — φ2 равная отношению работы (А), совершаемой силами поля при перемещении точечного положительного заряда из одной точки электростатического поля в другую, к величине этого заряда: U = A/q. Значения потенциалов φ в различных точках электростатического поля можно представить в виде поверхностей одинакового потенциала (эквипотенциальные поверхности). Эквипотенциальные поверхности и силовые линии в каждой точке электростатического поля взаимно перпендикулярны.

Напряженность электростатического поля (Е) и его напряжение (U) связаны между собой отношением E=U/L , где L — расстояние вдоль силовой линии между точками электростатического поля, разность потенциалов между которыми равна U. Это отношение используется на практике для косвенного измерения напряженности электрического и электростатического полей. Единицей измерения является вольт на метр (в/м). Для однородного электростатического поля плоского конденсатора Е = U/d, где U — напряжение, приложенное к пластинам конденсатора, а d — расстояние между ними.

В помещенном в электростатическом поле диэлектрике (веществе, плохо проводящем электрический ток) происходит смещение зарядов в пределах атома вещества (см. Атом) или его молекулы (см.) либо так наз. поляризация, в результате которой на поверхности диэлектрика появляются связанные заряды и соответствующее им обратное поле, ослабляющее внешнее электростатическое поле (см. Поляризация). Способность любого диэлектрика к поляризации характеризуется его диэлектрической проницаемостью (см.).

В проводнике, находящемся в электростатическом поле, происходит перемещение свободных зарядов до тех пор, пока напряженность результирующего электростатического поля внутри проводника не станет равной нулю. В пространстве, ограниченном металлической сеткой, электростатическое поле отсутствует, что используют для как называемой электростатической защиты: при определенных обследованиях снятие электроэнцефалограммы и пр.), экспериментах или измерениях людей, животных и приборы помещают внутрь металлического проводника (сетки), который заземляют.

Человек постоянно находится под воздействием электростатического поля. Это вызвано естественными факторами (полный статический заряд Земли, составляющий 5,7*10^5 к, обусловливает вблизи поверхности Земли электростатического поля напряженностью около 130 в/м), производственными и бытовыми факторами (см. Статическое электричество), а также может быть вызвано некоторыми лечебными процедурами (см. Франклинизация).

Под действием электростатического поля происходит поляризация биологических структур, обладающих диэлектрическими свойствами, и некоторое перемещение ионов. Так как ткани человека в основном обладают выраженными электропроводящими свойствами, то внешнее электростатическое поле внутрь органов почти не проникает (см. Электропроводность биологических систем). Основное действие на человека внешнее электростатическое поле оказывает в связи с электрическими разрядами в окружающем воздухе и образованием аэроионов (см. Аэроионизация).

Библиогр.: Физические факторы в комплексном лечении я профилактике внутренних и нервных болезней, под ред. А. Н. Обросова, М., 1971.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий