Почему это поле называют электростатическим

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 источник поля. Источники электромагнитных полей и излучений

Учебник. Работа в электрическом поле. Потенциал

При перемещении пробного заряда q

в электрическом поле электрические силы совершают работу. Эта работа при малом перемещении Δ l → равна (рис. 1.4.1): Δ A = F ċ Δ l ċ cos α = E q Δ l cos α = E l q Δ l .

Рассмотрим работу сил в электрическом поле, создаваемом неизменным во времени распределенным зарядом, т.е. электростатическом поле

Электростатическое поле обладает важным свойством:

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.

Аналогичным свойством обладает и гравитационное поле, и в этом нет ничего удивительного, так как гравитационные и кулоновские силы описываются одинаковыми соотношениями.

Следствием независимости работы от формы траектории является следующее утверждение:

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными.

На рис. 1.4.2 изображены силовые линии кулоновского поля точечного заряда Q

и две различные траектории перемещения пробного заряда
q
из начальной точки (1) в конечную точку (2). На одной из траекторий выделено малое перемещение Δ l → . Работа Δ
A
кулоновских сил на этом перемещении равна Δ A = F Δ l cos α = E q Δ r = 1 4 π ε 0 Q q r 2 Δ r .

Таким образом, работа на малом перемещении зависит только от расстояния r

между зарядами и его изменения Δ
r
. Если это выражение проинтегрировать на интервале от
r
=
r
1 до
r
=
r
2, то можно получить A = ∫ r 1 r 2 E ċ q ċ d r = Q q 4 π ε 0 ( 1 r 1 — 1 r 2 ) .

Полученный результат не зависит от формы траектории. На траекториях I и II, изображенных на рис. 1.4.2, работы кулоновских сил одинаковы. Если на одной из траекторий изменить направление перемещения заряда q

на противоположное, то работа изменит знак. Отсюда следует, что на замкнутой траектории работа кулоновских сил равна нулю.

Если электростатическое поле создается совокупностью точечных зарядов Q i , то при перемещении пробного заряда q

работа
A
результирующего поля в соответствии с принципом суперпозиции будет складываться из работ A i кулоновских полей точечных зарядов: A = ∑ A i . Так как каждый член суммы A i не зависит от формы траектории, то и полная работа
A
результирующего поля не зависит от пути и определяется только положением начальной и конечной точек.

Свойство потенциальности электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле. Для этого в пространстве выбирается некоторая точка (0), и потенциальная энергия заряда q

, помещенного в эту точку, принимается равной нулю.

Потенциальная энергия заряда q

, помещенного в любую точку (1) пространства, относительно фиксированной точки (0) равна работе
A
10, которую совершит электростатическое поле при перемещении заряда
q
из точки (1) в точку (0):
W
p1 =
A
10.

(В электростатике энергию принято обозначать буквой W

, так как буквой
E
обозначают напряженность поля.)

Так же, как и в механике, потенциальная энергия определена с точностью до постоянной величины, зависящей от выбора опорной точки (0). Такая неоднозначность в определении потенциальной энергии не приводит к каким-либо недоразумениям, так как физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а разность ее значений в двух точках пространства.

Работа, совершаемая электростатическое полем при перемещении точечного заряда q

из точки (1) в точку (2), равна разности значений потенциальной энергии в этих точках и не зависит от пути перемещения заряда и от выбора точки (0).
A
12 =
A
10 +
A
02 =
A
10 –
A
20 =
W
p1 –
W
p2.

Потенциальная энергия заряда q

, помещенного в электростатическое поле, пропорциональна величине этого заряда.

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом φ электрического поля: φ = W p q .

Потенциал φ является энергетической характеристикой электростатического поля.

12 по перемещению электрического заряда
q
из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ1 – φ2) начальной и конечной точек:
A
12 =
W
p1 –
W
p2 =
q
φ1 –
q
φ2 =
q
(φ1 – φ2).

В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В). 1 В = 1 Дж / 1 Кл.

Во многих задачах электростатики при вычислении потенциалов за опорную точку (0) удобно принять бесконечно удаленную точку. В этом случае понятие потенциала может быть определено следующим образом:

Потенциал поля в данной точке пространства равен работе, которую совершают электрические силы при удалении единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность. φ ∞ = A ∞ q .

Потенциал φ∞ поля точечного заряда Q

на расстоянии
r
от него относительно бесконечно удаленной точки вычисляется следующим образом: φ = φ ∞ = 1 q ∫ r ∞ E d r = Q 4 π ε 0 ∫ r ∞ d r r 2 = 1 4 π ε 0 Q r .

Как следует из теоремы Гаусса, эта же формула выражает потенциал поля однородно заряженного шара (или сферы) при r ≥ R

, где
R
– радиус шара.

Для наглядного представления электростатическое поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности.

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала.

Силовые линии электростатическое поля всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Эквипотенциальные поверхности кулоновского поля точечного заряда – концентрические сферы. На рис. 1.4.3 представлены картины силовых линий и эквипотенциальных поверхностей некоторых простых электростатических полей.

В случае однородного поля эквипотенциальные поверхности представляют собой систему параллельных плоскостей.

Если пробный заряд q

совершил малое перемещение Δ l → вдоль силовой линии из точки (1) в точку (2), то можно записать: Δ
A
12 =
qE
Δ
l
=
q
(φ1 – φ2) = –
q
Δφ, где Δφ = φ1 – φ2 – изменение потенциала. Отсюда следует E = — Δ φ Δ l ; ( Δ l → 0 ) или E = — d φ d l .

Это соотношение в скалярной форме выражает связь между напряженностью поля и потенциалом. Здесь l

– координата, отсчитываемая вдоль силовой линии.

Из принципа суперпозиции напряженностей полей, создаваемых электрическими зарядами, следует принцип суперпозиции для потенциалов: φ = φ1 + φ2 + φ3 + …
Работа электрических сил при малом перемещении Δ l → заряда q
Работа кулоновских сил при перемещении заряда
q
зависит только от расстояний
r
1 и
r
2 начальной и конечной точек траектории Эквипотенциальные поверхности (синие линии) и силовые линии (красные линии) простых электрических полей: a – точечный заряд; b – электрический диполь; c – два равных положительных заряда

Основные источники электростатических полей

Снижение возбудимости клеток коры головного мозга крыс происходило также при действии ЭСП напряженностью 40 кВ/м.

В то же время не было отмечено изменения условно-рефлекторной регуляции деятельности сердца при действии ЭСП напряженностью 10 кВ/м при различных экспозициях. Но при увеличении экспозиции ЭСП до 4-5 недель наблюдались значительные нарушения этой регуляции. Приведенные результаты по изучению вегетативных функций организма согласуются с данными В.И. Бута, который отметил влияние ЭСП на функциональную активность центров блуждающих нервов и снижение активности их нейронов.

Таким образом, показано, что ЭСП способно влиять на высшую нервную деятельность животных и вызывать функциональные сдвиги обратимого характера со стороны вегетативной нервной системы.

Много исследований о влиянии ЭСП различной напряженности (от 10 до 190 кВ/м) проведено Ф.Г. Портновым. Изучалось действие ЭСП на электрическую активность коры головного мозга, артериальное давление крови, функциональное состояние сердечной мышцы, состояние функции внимания, на свертывающую систему крови, холинэргическую активность крови, активность аминотрансфераз, содержание сульфгидрильных групп в крови, содержание адениловых нуклеотидов в эритроцитах крови, на некоторые показатели иммунобиологической резистентности. Наблюдались изменения этих показателей, свидетельствующие о понижении реактивности вегетативной нервной системы. Длительное пребывание животных в ЭСП вызывало адаптацию их к этому фактору.

Систематическое воздействие на организм человека электростатического поля высокой напряженности может вызвать функциональные изменения со стороны центральной нервной системы, сердечно-сосудистой, нейрогуморальной и других систем организма.

Степень воздействия ЭСП на организм зависит от величины напряженности поля и времени пребывания человека в поле.

Гигиеническое нормирование электростатических полей

И методика измерения

Интенсивность ЭСП на рабочих местах персонала, осуществляющего работы с источниками ЭСП, предельно допустимые уровни ЭСП, требования к проведению контроля, основные меры защиты от ЭСП регламентируются:

— СН № 1157-77 “Санитарно-гигиенические нормы допустимой напряженности электростатического поля”;

— ГОСТ 12.1.045-84 “Электрические поля. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”. Согласно ему предельно допустимый уровень напряженности ЭСП (Е пред.) устанавливается равным 60 кВ/м в течение 1 часа. При напряженности ЭСП ниже 20 кВ/м время пребывания в ЭСП не регламентируется. В диапазоне напряженности от 20 до 60 кВ/м допустимое время пребывания персонала в ЭСП без средств защиты (tдоп

в часах) определяется по формуле:

– фактическое значение напряженности ЭСП, кВ/м.

Допустимые уровни напряженности ЭСП при применении товаров народного потребления регламентируются СН 001-06 “Санитарные нормы допустимых уровней физических факторов при применении товаров народного потребления в бытовых условиях”.

Приборы для измерения ЭСП

. Измерение напряженности ЭСП проводится на постоянных рабочих местах и в местах возможного нахождения людей у электризованных поверхностей. В случае отсутствия постоянного рабочего места выбирается несколько точек в пределах рабочей площадки, на которой работник проводит не менее 50% рабочего времени. При обнаружении превышения ПДУ в зоне нахождения работника необходимо определить расстояние от источника ЭСП, то есть зону безопасных условий труда.

В каждой точке измерения проводятся на 3-х уровнях от пола: 0,5; 0,1 и 1,7 м. На каждом уровне измерения проводятся троекратно. В протокол заносятся среднеарифметические величины.

Приборы, рекомендуемые для измерения ЭСП:

— ИЭСП – 6 (для измерения потенциалов от мониторов);

— ИЭСП – 7, ИНЭП –20Д (для измерения напряженности ЭСП в пространстве);

— СТ – 01 (для измерения поля и потенциала ЭСП);

— ИЭСП – 01 (для измерения потенциала экрана);

— ЭСПИ –301Б (для измерения напряженности ЭСП)

В соответствии с Руководством “Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса” (Р 2.2.755-99) условия труда при воздействии ЭСП подразделяются на 4 класса: оптимальный (уровни соответствуют естественному фону), допустимый (уровни не превышают ПДУ), вредный (по степени превышения ПДУ подразделяется на 4 степени), опасный (условия труда для кратковременного воздействия ЭСП).

Электрическое поле и его характеристики

теория по физике 🧲 электростатика

Вокруг заряженных тел существует особая среда — электрическое поле. Именно это поле является посредником в передаче электрического взаимодействия.

Свойства электрического поля

  1. Электрическое поле материально, т.е. оно существует независимо от нашего сознания.
  2. Электрическое поле возникает вокруг зарядов и обнаруживается по действию на пробный заряд.
  3. Электрическое поле непрерывно распределяется в пространстве и ослабевает по мере удаления от заряда.
  4. С кор ость распространения электрического поля в вакууме равна с кор ости света c = 3∙10 8 м/с.

Характеристики электрического поля

Напряженность — силовая характеристика электрического поля. Это векторная величина, которая обозначатся как − E . Единица измерения — Ньютон на Кулон (Н/Кл) или Вольт на метр (В/м).

Напряженность численно равна электрической силе, действующей на единичный положительный заряд:

q 0 — пробный заряд.

Пример №1. Сила, действующая в поле на заряд в 20 мкКл, равна 4Н. Вычислить напряженность поля в этой точке.

20 мкКл = 20∙10 –6 Кл

E = F K q 0 . . = 4 20 · 10 − 6 . . = 0 , 2· 10 6 ( Н К л . . )

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы Кулона, если пробный заряд положительный: q 0 > 0 , − E ↑ ⏐ ⏐ ↑ ⏐ ⏐ − F K . Направление вектора напряженности противоположно направлению силы Кулона, если пробный заряд отрицательный: q 0 0 , − E ↑ ⏐ ⏐ ⏐ ⏐ ↓ − F K .

Силовые линии — линии, касательные к которым совпадают с вектором напряженности.

  • Направление силовой линии совпадает с направлением вектора напряженности.
  • Чем гуще силовые линии, тем сильнее электрическое поле.
  • Линии напряженности начинаются на положительных зарядах, а заканчиваются на отрицательных или на бесконечности.
  • Если силовые линии поля параллельны, то поле называют однородным.

Потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов W (Дж) в вакууме:

W p = k q 1 q 2 r . .

Потенциальная энергия взаимодействия двух зарядов W (Дж) в среде:

W p = k q 1 q 2 ε r . .

Знак потенциальной энергии зависит от знаков заряженных тел:

  • W 12 0 — энергия притяжения разноименно заряженных тел;
  • W 12 0 — энергия оттал ки вания одноименно заряженных тел.

Потенциал — энергетическая характеристика электрического поля. Обозначается как ϕ. Единица измерения — Вольт (В).

Численно потенциал равен отношению потенциальной энергии взаимодействия двух зарядов к единичному положительному заряду:

q 0 — пробный заряд.

Потенциал — скалярная физическая величина. Знак потенциала зависит от знака заряда, создающего поле. Отрицательный заряд создает отрицательный потенциал, и наоборот.

Значение потенциала зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциальной энергии, а разность потенциалов — от выбора нулевого уровня не зависит.

Напряжение — разность потенциалов. Обозначается как U. Единица измерения — Вольт (В). Численно напряжение равно отношению работы электричес ки х сил по перемещению заряда из точ ки 1 в точку 2:

U = φ 1 − φ 2 = A 12 q 0 .

Эквипотенциальные поверхности — поверхности, имеющие одинаковый потенциал. Они равноудалены от заряженных тел и обычно повторяют их форму. Эквипотенциальные поверхности перпендикулярны силовым линиям.

Пылинка, имеющая массу 10 −6 кг, влетела в однородное электрическое поле в направлении против его силовых линий с начальной скоростью 0,3 м/с и переместилась на расстояние 4 см. Каков заряд пылинки, если её скорость уменьшилась при этом на 0,2 м/с, а напряжённость поля 105 В/м?

Электростатическое поле

В механике и молекулярной физике упоминалось электростатическое взаимодействие атомов, которое составляет часть электромагнитного взаимодействия. Оно относится к четырем фундаментальным взаимодействиям и лежит в основе многих физических, химических и биологических процессов, определяющих физическую картину мира (см. гл. 12).

Одна из идеальных моделей электромагнетизма, аналогичная модели материальной точки, — точечный заряд.

Точечным зарядом называют заряженное тело, размеры которого много меньше расстояния, на котором оно рассматривается.

Электростатические силы на много порядков больше гравитационных и определяются законом Кулона, который по форме похож на формулу (1.42):

Формула (5.1) установлена Ш. Кулоном в 1785 г. с помощью крутильных весов (Г. Кавендиш получил ее раньше, в 1771 г., но не публиковал). В этой формуле q, q’ — модули точечных зарядов; г— расстояние между ними; е0 = 8,85-10 12 Ф/м — электрическая постоянная (1/(4ле0) = 9-10 9 м/Ф). Модули зарядов могут изменяться только дискретно (эту мысль высказал Фарадей) — на величину, не меньшую, чем элементарный заряд е0 =1,6-10“ 19 Кл. Аналогия заряда с массой состоит еще и в том, что заряд q характеризует как число элементарных зарядов, так и силу взаимодействия между ними.

По историческим причинам знак заряда электрона определен как отрицательный, а протона — как положительный. Удобнее было бы наоборот, так как направление электрического тока (чаще всего создаваемого электронами), по предложению Ампера, определяется направлением движения положительных зарядов.

Формула (5.1) объясняет, почему макроскопические тела электрически нейтральны. Если в двух кусочках угля по 20 г баланс между положительными и отрицательными зарядами нарушить всего на 10 ‘%, то на расстоянии 1 м между ними возникнет сила, большая веса человека!

При любых преобразованиях заряд не изменяется. Закон сохранения электрического заряда установил американский физик и общественный деятель Б. Франклин (1706—1790).

Формула (5.1) (как и (1.42)) имеет фундаментальное значение для аппарата электростатики, однако ее непосредственное применение весьма ограничено — гораздо плодотворнее пользоваться понятием «поле». Оно увязывает кулоновскую силу с пространством, в котором она действует: совокупность сил Кулона образует векторное электростатическое поле.

Эго не только удобное для расчетов формальное понятие, но и реально существующий вид материи, который действует на электрические заряды. Таким образом, понятия «электрический заряд» и «электрическое поле» органично связаны: заряд проявляет себя как в том, что создает поле, так и в том, что взаимодействует с ним. Электрический заряд можно даже рассматривать как некую особенность электрического поля.

Понятие «поле» ввел выдающийся английский физик М. Фарадей (1791—1867). По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самой важной со времен И. Ньютона, у которого пространство выступало только как пассивное вместилище тел и зарядов.

Поле, существующее вокруг заряда q (рис. 5.1), не зависит от того, поместили в него другой заряд q’ или нет, — q’ можно рассматривать как индикатор поля, т.е. пробный заряд. Это позволяет представить формулу (5.1) в виде

где Е — характеристика поля, не зависящая от наличия q’. Она называется напряженностью электростатического поля в данной его точке:

Здесь т — единичный вектор в направлении действия силы на положительный пробный заряд. Из формул (5.2), (5.3) следует, что напряженность

Рис. 5.1

электростатического поля — это сила, которая действует на единичный точечный положительный заряд, помещенный в данную его точку.

Таким образом, напряженность является силовой характеристикой ноля.

Справедливость формулы (5.3) экспериментально подтверждена в огромном диапазоне расстояний: от 10″ 1э до 1О 3 м. Из формулы (5.2) следует, что единицей напряженности является ньютон на кулон (Н/Кл), однако чаще применяют единицу вольт на метр (В/м), происхождение которой следует из дальнейшего (см. параграф 5.3).

Поскольку в поле точечного заряда вектор Е направлен по радиусам, расходящимся от него как от центра (см. рис. 5.1), такое поле называют центральным.

Если вообразить сферы с общим центром, совпадающим с положением q, то число радиальных линий, пересекающих единицу площади каждой из них, пропорционально 1 /г 2 . В соответствии с формулой (5.3) точно так же изменяется и модуль Е. На этом основана идея силовых линий поля, которую ввел тот же М. Фарадей: их густота, т.е. число линий, приходящихся на единицу площади, характеризует модуль вектора Е, а их направление (в данном случае — вдоль радиусов) — направление вектора Е.

Электрическое поле чаще всего создается таким множеством точечных зарядов, что дискретность их положения неразличима, — заряд можно считать распределенным непрерывно и характеризовать плотностью заряда. Точно так же мы характеризуем плотностью массу вещества, полагая его сплошным, несмотря на то что оно состоит из разрозненных молекул. В зависимости от конфигурации тела и решаемых задач различают поверхностную, объемную и линейную плотность заряда:

Интегрируя эти выражения, можно найти полный заряд поверхности, объема или длины заданных размеров.

Поле каждого из зарядов не зависит от полей, созданных другими зарядами, а результирующая напряженность поля определяется их суммой:

Это математическое выражение принципа суперпозиции (наложения) электрических полей. Он позволяет пользоваться силовыми линиями вектора Е для любой совокупности зарядов.

В однородном поле Е = const но определению. Поэтому его силовые линии сонаправлены и имеют постоянную густоту. Такое иоле образуют параллельные разноименно заряженные плоскости, размеры которых много больше расстояния между ними.

ВОПРОС. Могут ли силовые линии электростатического поля быть замкнутыми?

ОТВЕТ. Нет, поскольку они всегда начинаются на положительных, а заканчиваются на отрицательных зарядах.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий