Андрей Смирнов
Время чтения: ~21 мин.
Просмотров: 0

Работа электрического поля при перемещении заряда. принцип действия

Силы и их действие на заряженную частицу

На заряженный электрон, воздействует сила с некоторым ускорением, заставляя его перемещаться все быстрее и быстрее. Этой силой совершается работа по передвижению электрона.

Силовые линии – это воображаемые очертания, которые возникают вокруг зарядов (определяется электрическим полем), и если мы поместим какой-либо заряд в эту область, он испытает силу.

Свойства силовых линий:

  • путешествуют с севера на юг;
  • не имеют взаимных пересечений.

Почему у двух силовых линий не возникает пересечений? Потому что не бывает этого в реальной жизни. То, о чём говорится, является физической моделью и не более. Физики изобрели её для описания поведения и характеристик электрического поля. Модель очень хороша при этом. Но помня, что это всего лишь модель, мы должны знать о том, для чего такие линии нужны.

Силовые линии демонстрируют:

  • направления электрических полей;
  • напряженность. Чем ближе линии, тем больше сила поля и наоборот.

Если нарисованные силовые линии нашей модели пересекутся, расстояние меж ними станет бесконечно малыми. Из-за силы поля, как формы энергии, и из-за фундаментальных законов физики это невозможно.

Силы и их действие на заряженную частицу

Теоретический эксперимент для исключения паразитных воздействий выполняют в идеальной среде. Вакуум обеспечивает отсутствие механических препятствий. Удаленность массивных тел предотвращает гравитационные влияния. Устраняют световые потоки.

Формула, поясняющая зависимость между основными параметрами

Если частицу с единичным зарядом (q) поместить в такую среду с электростатическим полем, она начнет перемещаться из точки с потенциалом ϕ1 в другое место с энергетическим запасом ϕ2. Будет выполнена работа (А).

Неравномерность силовых параметров поля показывают специальными линиями, которые можно характеризовать следующим образом:

  • направленность в сторону уменьшения потенциала от плюса (севера) к минусу (югу), соответственно;
  • отсутствие пересечений в любой точке поля;
  • уменьшение расстояния между отдельными компонентами свидетельствует об увеличении напряженности.

Что такое потенциал

Разница потенциалов перемещает заряженную частицу. Однако справедливо и обратное утверждение. По выполненным затратам определяют количество энергии, которую надо использовать на соответствующее передвижение. В базовых понятиях оперируют единичным положительным зарядом.

Заряды с разными потенциалами

На левом рисунке (1) изображены заряды со сравнительно небольшим энергетическим запасом. На правом (2) – показано измененное расположение силовых линий при увеличении потенциала.

Повышение напряженности допустимо только до определенного уровня, ограниченного диэлектрическими характеристиками материала (среды). При определенном значении происходит пробой между точками с разными потенциалами. Примеры – молния, короткое замыкание. При q1=q2 поле отсутствует.

Потенциал

Из механики известно, что работа консервативных сил связана с изменением потенциальной энергии. Система «заряд — электростатическое поле» обладает потенциальной энергией (энергией электростатического взаимодействия). Поэтому, если не учитывать взаимодействие заряда с гравитационным полем и окружающей средой, то работа, совершаемая при перемещении заряда в электростатическом поле, равна изменению потенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком:

\(~A_{12} = -(W_{2} — W_{1}) = W_{1} — W_{2} . \)

Сравнивая полученное выражение с уравнением 1, можно сделать вывод, что

\(~W = -q \cdot E \cdot x, \)

где x — координата заряда на ось 0Х, направленную вдоль силовой линии (см. рис. 1). Так как координата заряда зависит от выбора системы отсчета, то и потенциальная энергия заряда так же зависит от выбора системы отсчета.

Если W2 = 0, то в каждой точке электростатического поля потенциальная энергия заряда q равна работе, которая была бы совершена при перемещении заряда q из данной точки в точку с нулевой энергией.

Пусть электростатическое поле создано в некоторой области пространства положительным зарядом q. Будем помещать в некоторую точку этого поля различные пробные заряды q. Потенциальная энергия их различна, но отношение \(~\dfrac{W}{q_0} = \operatorname{const}\) для данной точки поля и служит характеристикой поля, называемой потенциалом поля φ в данной точке.

Потенциал электростатического поля φ в данной точке пространства — скалярная физическая величина, равная отношению потенциальной энергии W, которой обладает точечный заряд q в данной точке пространства, к величине этого заряда:

\(~\varphi = \dfrac{W}{q} .\)

Единицей потенциала в СИ является вольт (В): 1 В = 1 Дж/Кл.

Потенциал — это энергетическая характеристика поля.

Свойства потенциала.

Потенциал, как и потенциальная энергия заряда, зависит от выбора системы отсчета (нулевого уровня).
В технике за нулевой потенциал выбирают потенциал поверхности Земли или проводника, соединенного с землей. Такой проводник называют заземленным.
В физике за начало отсчета (нулевой уровень) потенциала (и потенциальной энергии) принимается любая точка, бесконечно удаленная от зарядов, создающих поле.

На расстоянии r от точечного заряда q, создающего поле, потенциал определяется формулой

\(~\varphi = k \cdot \dfrac{q}{r}.\)

Потенциал в любой точке поля, создаваемого положительным зарядом q, положителен, а поля, создаваемого отрицательным зарядом, отрицателен:
если q > 0, то φ > 0; если q

Потенциал поля, образованного равномерно заряженной проводящей сферой радиусом R, в точке, находящейся на расстоянии r от центра сферы
\(~\varphi = k \cdot \dfrac{q}{R}\) при r ≤ R и \(~\varphi = k \cdot \dfrac{q}{r}\) при r > R .

Принцип суперпозиции: потенциал φ поля, созданного системой зарядов, в некоторой точке пространства равен алгебраической сумме потенциалов, создаваемых в этой точке каждым зарядом в отдельности:


\(~\varphi = \varphi_1 + \varphi_2 + \varphi_3 + … = \sum_{i=1}^n \varphi_i .\)

Зная потенциал φ поля в данной точке, можно рассчитать потенциальную энергию заряда q помещенного в эту точку: W1 = q⋅φ. Если положить, что вторая точка находится в бесконечности, т.е. W2 = 0, то

\(~A_{1\infty} = W_{1} = q_0 \cdot \varphi_1 .\)

Потенциальная энергия заряда q в данной точке поля будет равна работе сил электростатического поля по перемещению заряда q из данной точки в бесконечность. Из последней формулы имеем

\(~\varphi_1 = \dfrac{A_{1\infty}}{q_0}.\)

Физический смысл потенциала:
потенциал поля в данной точке численно равен работе по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность.

Потенциальная энергия заряда q помещенного в электростатическое поле точечного заряда q на расстоянии r от него,

\(~W = k \cdot \dfrac{q \cdot q_0}{r}.\)

Если q и q0 — одноименные заряды, то W > 0, если q и q0 — разные по знаку заряды, то W

Отметим, что по этой формуле можно рассчитать потенциальную энергию взаимодействия двух точечных зарядов, если за нулевое значение W выбрано ее значение при r = ∞.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называют вещества, в которых может происходить упорядоченное перемещение электрических зарядов, т. е. протекать электрический ток.

Проводниками являются металлы, водные растворы солей, кислот, ионизованные газы. В проводниках есть свободные электрические заряды. В металлах валентные электроны взаимодействующих друг с другом атомов становятся свободными.

Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под его действием свободные электроны проводника начнут перемещаться в направлении, противоположном направлению напряженности поля. В результате на одной поверхности проводника появится избыточный отрицательный заряд, а на противоположной – избыточный положительный заряд.

Эти заряды создают внутри проводника внутреннее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Под действием внешнего электростатического поля электроны проводимости в металлическом проводнике перераспределяются так, что напряженность результирующего поля в любой точке внутри проводника равна нулю. Электрические заряды расположены на поверхности проводника.

Важно!Если внутри проводника есть полость, то напряженность в ней будет равна нулю независимо от того, какое поле имеется вне проводника и как заряжен проводник. Внутренняя полость в проводнике экранирована (защищена) от внешних электростатических полей

На этом основана электростатическая защита.

Явление перераспределения зарядов во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией.

Заряды, разделенные электростатическим полем, взаимно компенсируют друг друга, если проводник удалить из поля. Если такой проводник разрезать, не вынося из поля, то его части будут иметь заряды разных знаков.

Важно!
Во всех точках поверхности проводника вектор напряженности направлен перпендикулярно к его поверхности. Поверхность проводника является эквипотенциальной (потенциалы всех точек поверхности проводника равны)

§ 84. Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов.

Тело,
находящееся в потенциальном поле сил
(а электростатическое поле является
потенциальным), обладает потенциальной
энергией, за счет которой силами поля
совершается работа (см. §12). Как из­вестно
(см. (12.2)), работа консерватив­ных сил
совершается за счет убыли по­тенциальной
энергии. Поэтому работу

(83.1)
сил электростатического поля мож­но
представить как разность потенциаль­ных
энергий, которыми обладает точечный
заряд Q
в начальной и конечной точках поля
заряда Q:

откуда
следует, что потенциальная энер­гия
заряда Q
в поле заряда Q
равна

Она,
как и в механике, определяется не
однозначно, а с точностью до произволь­ной
постоянной С.
Если
считать, что при удалении заряда в
бесконечность (r->)
потенциальная энергия обращается в
нуль (U=0),
то С=0
и потенциальная энергия заряда Q,
находящегося в поле заряда Q
на расстоянии rот
него, равна

Для
одноименных зарядов QQ>0
и по­тенциальная энергия их взаимодействия
(отталкивания) положительна, для
разно­именных зарядов QQ<0
и потенциаль­ная энергия их взаимодействия
(притяже­ния) отрицательна.

Если
поле создается системой nточеч­ных
зарядов Q1,
Q2,
…, Qn,
то
работа электростатических сил, совершаемая
над зарядом Q,
равна алгебраической сумме работ сил,
обусловленных каждым

из
за­рядов в отдельности. Поэтому
потенциаль­ная энергия Uзаряда
Q,
находящегося в этом поле, равна сумме
его потенциаль­ных энергий Ui,
создаваемых
каждым из зарядов в отдельности:

Из
формул (84.2) и (84.3) вытекает, что отношение
UQне
зависит от Qи
является поэтому энергетической
харак­теристикой электростатического
поля,
на­зываемой
потенциалом:

=U/Q.
(84.4)

Потенциал

в какой-либо точке элек­тростатического
поля есть физическая ве­личина,
определяемая потенциальной энергией
единичного положительного за­ряда,
помещенного в эту точку.

Из
формул (84.4) и (84.2) следует, что потенциал
поля, создаваемого точечным зарядом Q,
равен

Работа,
совершаемая силами элек­тростатического
поля при перемещении заряда Q
из точки 1
в точку 2
(см.
(84.1), (84.4), (84.5)), может быть представлена
как

A12==U1-U2=Q(1-2),
(84.6) т. е. равна произведению
перемещаемого заряда на разность
потенциалов в началь­ной и конечной
точках. Разность
потенци­алов
двух
точек 1
и 2
в
электростатиче­ском поле определяется
работой, соверша­емой силами поля,
при перемещении единичного положительного
заряда из точки 1
в точку 2.

Работа
сил поля при перемещении за­ряда Q
из точки 1
в точку 2
может
быть записана также в виде

Приравняв (84.6) и
(84.7), придем к вы­ражению для разности
потенциалов:

где
интегрирование можно производить вдоль
любой линии, соединяющей началь­ную
и конечную точки, так как работа сил
электростатического поля не зависит
от траектории перемещения.

Если
перемещать заряд Q
из произ­вольной точки за пределы
поля, т. е. в бес­конечность, где по
условию потенциал ра­вен нулю, то
работа сил электростатиче­ского поля,
согласно (84.6),

A=Q,

Таким
образом, потенциал

физическая величина, определяемая
работой по пере­мещению единичного
положительного за­ряда при удалении
его из данной точки в бесконечность.
Эта работа численно рав­на работе,
совершаемой внешними силами (против
сил электростатического поля) по
перемещению единичного положительного
заряда из бесконечности в данную точку
поля.

Из
выражения (84.4) следует, что еди­ница
потенциала — вольт
(В):
1В есть потенциал такой точки поля, в
которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной
энергией 1 Дж (1В=1Дж/Кл). Учиты­вая
размерность вольта, можно показать, что
введенная в § 79 единица напряжен­ности
электростатического поля дейст­вительно
равна 1 В/м: 1Н/Кл=1Н• м/(Кл•м)=1 Дж/(Кл•м)=1
В/м.

Из
формул (84.3) и (84.4) вытекает, что если поле
создается несколькими за­рядами, то
потенциал поля системы за­рядов равен
алгебраической
сумме
потен­циалов полей всех этих зарядов:

Тестирование онлайн

Что такое потенциал?

Потенциалом называется энергия, которая затрачивается на передвижение заряженной частицы из первой точки, имеющей нулевой потенциал во вторую точку.

Разность потенциалов меж пунктами А и Б – это работа, производимая силами для передвижения некоего положительного электрона по произвольной траектории из А в Б.

Чем больший потенциал у электрона, чем больше плотность потока на единицу площади. Такое явление подобно гравитации. Чем больше масса, тем больше потенциал, тем интенсивнее и плотнее гравитационное поле на единицу площади.

Небольшой заряд с низким потенциалом, с прореженной плотностью потока показан на следующем рисунке.

А ниже показан заряд с большим потенциалом и плотностью потока.

Например: во время грозы электроны истощаются в одной точке и собираются в другой, образуя электрическое поле. Когда сила станет достаточной, чтобы сломать диэлектрическую проницаемость, получается удар молнии (состоящий из электронов). При выравнивании разности потенциалов электрическое поле разрушается.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками называют вещества, не проводящие электрический ток. Диэлектриками являются стекло, фарфор, резина, дистиллированная вода, газы.

В диэлектриках нет свободных зарядов, все заряды связаны. В молекуле диэлектрика суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Различают полярные и неполярные диэлектрики.

В молекулах полярных диэлектриков ядра и электроны расположены так, что центры масс положительных и отрицательных зарядов не совпадают и находятся на некотором расстоянии друг от друга. То есть молекулы представляют собой диполи независимо от наличия внешнего электрического поля. В отсутствие внешнего электрического поля из-за теплового движения молекул диполи расположены хаотично, поэтому суммарная напряженность поля всех диполей диэлектрика равна нулю.

Если в отсутствие внешнего электрического поля центры масс положительных и отрицательных зарядов в молекуле диэлектрика совпадают, то он называется неполярным. Пример такого диэлектрика – молекула водорода. Если такой диэлектрик поместить во внешнее электрическое поле, то направления векторов сил, действующих на положительные и отрицательные заряды, будут противоположными. В результате молекула деформируется и превращается в диполь. При внесении диэлектрика в электрическое поле происходит его поляризация.

Поляризация диэлектрика – процесс смещения в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Если диэлектрик неполярный, то в его молекулах происходит смещение положительных и отрицательных зарядов. На поверхности диэлектрика появятся поверхностные связанные заряды. Связанными эти заряды называют потому, что они не могут свободно перемещаться отдельно друг от друга.

Внутри диэлектрика суммарный заряд равен нулю, а на поверхностях заряды не скомпенсированы и создают внутри диэлектрика поле, вектор напряженности которого направлен противоположно вектору напряженности внешнего поля. Это значит, что внутри диэлектрика поле имеет меньшую напряженность, чем в вакууме.

Физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к модулю напряженности электрического поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества:

В полярном диэлектрике во внешнем электрическом поле происходит поворот диполей, и они выстраиваются вдоль линий напряженности.

Если внесенный в электрическое поле диэлектрик разрезать, то его части будут электрически нейтральны.

Об однородном электрическом поле

Сложная конфигурация распределения силовых линий затрудняет вычисления, создание работоспособных конструкций с заданными параметрами. Проблему решают с применением двух пластин с разными зарядами. В центральной части такого сооружения сохраняется параллельность (одинаковые амплитудные значения) векторов напряженности.

Однородное поле, положительный (а) и отрицательный (б) точечные заряды

Практический пример однородного электрического поля – пластины типового конденсатора. Даже при сворачивании в спираль функциональных компонентов типовых радиодеталей сохраняется единство физических параметров большей части рабочего объема. Симметричность нарушается на краях, однако с учетом малых размеров соответствующими незначительными воздействиями можно пренебрегать. В точечных зарядах радиальные линии направлены в стороны для положительного и к центру для отрицательного потенциала, соответственно.

Вычисления работы электрического поля по перемещению заряда

Мы уже указывали на сходство законов взаимодействия электрически заряженных тел (закон Кулона) и массивных тел (закон всемирного тяготения). В обоих случаях

Соответственно и последствия из законов должны быть похожими.

В курсе механики мы выяснили, что сила всемирного тяготения является консервативной силой, поскольку ее работа по перемещению тела массой m в пространстве не зависит от траектории движения тела, а определяется только его начальным и конечным положениями. Работа по перемещению тела по замкнутой траектории равна нулю. Работа силы земного притяжения (у поверхности Земли) A = mg (h1 — h2 ) (обозначение см. рис. ниже); во всемирном масштабе работа гравитационной силы

Напоминаем, что силовое поле, в котором работа не зависит от формы траектории, называют потенциальным.

В каждой точке поля тело имеет определенную потенциальную энергию относительно выбранного нулевого уровня. Значение потенциальной энергии тела в данной точке пространства определяется работой поля по перемещению тела от этой точки на нулевой уровень. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела A = — (Еп2 — Эп1 ).

Эти выводы получены из закона всемирного тяготения Ньютона, подобные выводы должны быть получены и для электростатических сил, действующих в электрическом поле.

Рассмотрим движение точечного заряда в однородном электрическом поле. Пусть однородное поле создают большие металлические пластины, имеющие заряды противоположных знаков. Это поле действует на точечный тело постоянной силой

подобно тому, как поле тяготения действует с постоянной силой

на тело вблизи поверхности Земли.

Пусть пластины размещены горизонтально. Вычислим работу, которую выполняет электростатическое поле, перемещая положительный заряд q с точки 1, расположенной на расстоянии d1 от отрицательно заряженной пластины, в точку 2, удаленную на расстояние d2 , по прямолинейной траектории (а).

Перемещение положительного заряда в однородном электрическом поле: а — по прямолинейной траектории; б — по ломаной

Как известно из курса механики, работа по перемещению тела определяется формулой A = Fscosα, где α — угол между векторами силы и перемещения.

Согласно электрическое поле на участке 1-2 выполняет работу A = Fd, где d = s cos α. С учетом того, что F = qE, получаем A = qEd = qE (d1 — d2 ). Эта работа не зависит от формы траектории, подобно тому, как не зависит от формы траектории работа силы тяжести. Докажем это. Пусть теперь положительный заряд q перемещается с точки 1 в точку 2 на ломаном ВDС (б). Тогда поле выполняет работу A = qE (BD cos α1 + DC cos α2 ) = qE (BD1+ D1 C1 ) = qEd.

К такому же выводу мы придем для любого вида траектории движения точечного заряда, ведь любую кривую можно заменить перемещением по ломаной траектории с достаточно малыми ступенями:

Криволинейную траекторию можно заменить траекторией в виде ломаной линии, с какой угодно точностью, если взять достаточно малые ступени.

Мы доказали, что в однородном электрическом поле работа электростатических сил не зависит от формы траектории. Итак, работа по перемещению заряда по замкнутой траектории равна нулю.

Можно доказать, что этот вывод подтверждается и для неоднородных полей, например, для поля точечного заряда. В этом случае работу по перемещению положительного заряда q с точки 1, которая находится на расстоянии r1 от заряда q, что создает поле, в точку 2, которая находится на расстоянии r2 , определяют по формуле

независимо от формы траектории.

Работа по перемещению заряда в неоднородном поле

Итак, электростатические силы взаимодействия между неподвижными точечными зарядами являются консервативными. А поле консервативных сил потенциальным. Согласно этому электрическое поле, так же, как и гравитационное поле, — потенциальное. И работа сил электрического поля может быть определена из-за изменения потенциальной энергии точечного заряда в этом поле.

Характеристики поля

Основными характеристиками описываемого явления являются напряженность, потенциал и напряжение.

Потенциал

Потенциал электрополя равен отношению потенциальной энергии помещенной в него пробной заряженной частицы к ее заряду. Если объяснять понятным большинству физиков и ученых языком, то данная характеристика равна отношению работы, совершаемой полем по перемещению заряженной частицы из одной точки в другую, к значению заряда данной частицы. Измеряется она в Вольтах (В).

Напряженность

Данная характеристика представляет собой силу, действующую на внесенный в определенную точку поля пробный статический положительный заряд. Имеет численное значение (модуль) и направление (вектор). Измеряется в Н/Кл.

Напряжение

Напряжение – эта применимая на практике характеристика, равная разности потенциалов между двумя образующими поле заряженными частицами. Как и потенциал, измеряется в Вольтах (В).

Взаимодействие зарядов. Два вида зарядов

Электрический заряд – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела участвовать в электромагнитных взаимодействиях.

Обозначение – ​\( q \)​, единица измерения в СИ – кулон (Кл).

Существуют два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Наименьший отрицательный заряд имеет электрон (–1,6·10-19 Кл), наименьший положительный заряд (1,6·10-19 Кл) – протон. Минимальный заряд, который может быть сообщен телу, равен заряду электрона (элементарный заряд). Если тело имеет избыточные (лишние) электроны, то тело заряжено отрицательно, если у тела недостаток электронов, то тело заряжено положительно.

Величина заряда тела будет равна

где ​\( N \)​ — число избыточных или недостающих электронов;
​\( e \)​ — элементарный заряд, равный 1,6·10-19 Кл.

Важно!
Частица может не иметь заряда, но заряд без частицы не существует. Электрические заряды взаимодействуют:

Электрические заряды взаимодействуют:

заряды одного знака отталкиваются:

заряды противоположных знаков притягиваются:

Прибор для обнаружения электрического заряда называется электроскоп. Основная часть прибора – металлический стержень, на котором закреплены два листочка металлической фольги, помещенные в стеклянный сосуд. При соприкосновении заряженного тела со стержнем электроскопа заряды распределяются между листочками фольги. Так как заряд листочков одинаков по знаку, они отталкиваются.

Для измерения зарядов можно использовать и электрометр. Основные части его – металлический стержень и стрелка, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси. Стержень со стрелкой закреплен в пластмассовой втулке и помещен в металлический корпус, закрытый стеклянными крышками. При соприкосновении заряженного тела со стержнем стержень и стрелка получают электрические заряды одного знака. Стрелка поворачивается на некоторый угол.

4.Понятие о циркуляции

Пусть в некоторой области пространства существует векторное поле .

Циркуляцией вектора  по произвольному замкнутому контуру L
называется следующий криволинейный интеграл:

Здесь  — единичный вектор, касательный к контуру в данной точке, направленный в сторону положительного обхода контура.

Существует соглашение, что положительное направление обхода контура (направление ) выбирается таким, чтобы область, охваченная
контуром, оставалась при обходе слева.

Напомним, вкратце, как можно “сконструировать” криволинейный интеграл. Для этого нужно
выбрать точку на контуре, показать в ней вектор , в этой же точке показать единичный вектор
касательной, вычислить скалярное произведение , разбить контур на малые элементы, длину элемента обозначить , вычислить произведение ; проделать это для всех элементов контура; произвести суммирование результатов,
устремляя элемент длины контура  к нулю — перейти от суммирования к интегрированию.

Так же, как и поток, циркуляция является ещё одной характеристикой свойств векторного поля. А именно, циркуляция характеризует
степень завихренности векторного поля.

Пример: если в качестве «измерителя» циркуляции поля скоростей жидкости можно взять турбинку, то если она вращается, циркуляция не равна нулю.

Циркуляция – это интегральная характеристика поля.

История развития электрического поля

Основными вехами истории развития учения о данном явлении являются следующие открытия:

  • 1773 г. – французский астроном Ж.Л. Лангранж впервые применяет такое понятие, как «потенциал». Примененное относительно небесных тел это понятие в дальнейшем стало широко использоваться в физике.
  • 1785 – Шарль Кулон сформулировал названный позднее его именем закон, описывающий взаимодействие заряженных частиц;
  • 1812 – французский физик С.М. Пуассон применил понятие «потенциал» в описании электрических, электромагнитных процессов и явлений;
  • 1819 – датский физик Х.К. Эрстед опытным путем показал влияние протекающего по проводнику тока на отклонение магнитной стрелки, происходящее под воздействием образующегося вокруг него электрополя;
  • 1827 – Г. Омом сформулирован названный его именем основной закон электротехники, описывающий соотношение основных характеристик протекающего по проводнику электрического тока (напряжения, силы, сопротивления);
  • 1831 – М. Фарадей, ученик известного британского ученого Гемфри Дэви, в своем труде по электромагнетизму описывает взаимодействие двух составляющих электромагнитного поля;
  • 1873 –Д.К. Максвелл издает свой знаменитый фундаментальный труд «Трактат об электричестве и магнетизме», в котором ученый подробно описывает взаимодействие электрического и магнитного полей, приводит уравнения, описывающие их закономерность.

Д.К. Максвелл

Потенциальная энергия взаимодействия точечных зарядов

Подобно тому, как любое тело, которое взаимодействует с Землей по закону всемирного тяготения, на разных расстояниях от ее центра имеет различную потенциальную энергию, электрический заряд q на разном расстоянии от другого заряда q имеет различную потенциальную энергию — W. Если заряд q перемещается в электрическом поле из точки 1, где его потенциальная энергия была W1, в точку 2, где его энергия стала W2 , работа сил поля A = W1 — W2 = -(W2 — W1) = -ΔW. Как видно из формулы, A и ΔW имеют противоположные знаки. Это объясняется тем, что если заряд q перемещается под действием сил поля (т.е. работа поля А положительная), то его потенциальная энергия уменьшается, прирост энергии ΔW — отрицательный. Если же заряд перемещается против сил поля (А — отрицательная), то потенциальная энергия заряда увеличивается. (Такое же соотношение между потенциальной энергией и работой силы тяжести.)

Как известно, значение потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня. В электростатике условились потенциальную энергию заряда, размещенного в точке, бесконечно удаленной от заряженного тела, создает поле, считать нулем, W = 0. Тогда, в случае перемещения заряда q с точки 1 в бесконечность, работа поля A = W1 — W = W1 . То есть потенциальная энергия заряда q, размещенного в какой-либо точке поля, численно равна работе, которую выполняют силы поля, перемещая этот заряд с указанной точки в бесконечность: W = qEd, где d — расстояние от источника поля до точки, в которой находится заряд q.

Если поле создано положительным зарядом, то значение потенциальной энергии другого положительного заряда, размещенного в некоторой точке этого поля, будет положительным, если же поле создано отрицательным зарядом, то значение потенциальной энергии положительного заряда — отрицательно. Для отрицательного заряда, размещенного в электрическом поле, все будет наоборот. Когда поле создано сразу несколькими зарядами, потенциальная энергия заряда q, размещенного в какой-либо точке такого поля, равна алгебраической сумме энергий, обусловленных полем каждого заряда в этой точке.

Как устроено и действует электрическое поле

Проводники и диэлектрики в электрополях

Взаимодействие электрического поля на проводники и диэлектрики вследствие их разной электропроводности отличается:

  • Если в электростатическое поле, образованное двумя плоскостями, внести проводник, под воздействием кулоновских сил находящиеся в нем заряды сконцентрируются на его поверхности. В это же самое время внутри проводника возникнет собственное поле, вектор напряженности которого противоположен, а модуль равен аналогичной характеристике внешнего. Вследствие этого проводник, несмотря на внешнее воздействие на него, будет оставаться нейтральным. Данное свойство широко используют для защиты приборов от воздействия на них электрического и магнитного полей.
  • Если такие же манипуляции произвести с диэлектриком, образующееся внутри него поле будет иметь модуль напряженности меньше, чем внешнее. Соотношение модуля напряженности внутреннего и внешнего полей является постоянным для каждого диэлектрического материала значением, его принято называть диэлектрической проницаемости.

Также в диэлектриках в данной ситуации наблюдается такое явление, как поляризация – ограниченное перемещение связанных зарядов или диполей.

На заметку. Реальным примером системы, состоящей из двух разноименно заряженных пластин, является электролитический конденсатор с небольшой емкостью. Внутри этого элемента при его зарядке будет создаваться однородное электрополе.

Конденсатор

Статическое распределение зарядов

Самый простой электростатический (однородный) вид данного явления образуется двумя неподвижными заряженными частицами сферической формы и графически обозначается силовыми линиями, направленными от положительного заряда к отрицательному.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации