Условия возникновения электрического поля – «Продолжи предложения Электрический ток… Электрический ток… Сила тока… Сила тока… Напряжение… Напряжение… Причиной возникновения электрического поля является…». Скачать бесплатно и без регистрации.

Электрическое поле: определение, характеристики, свойства

Есть такой термин в физике, как «Электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел. Оно применяется на практике и встречается в повседневной жизни. В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и какие его свойства, а также, где оно возникает и применяется.

Определение

Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле. Если сказать формулировку простыми словами, то это такое поле, которое действует на другие тела с определенной силой.

Основной количественной характеристикой является напряженность электрического поля. Она равна отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда. Сила действует в каком-то направлении, значит и напряженность ЭП векторная величина. Ниже вы видите формулу напряженности:

Напряженность ЭП действует в направлении, которое вычисляется по принципу суперпозиции. То есть:

На рисунке ниже вы видите условное графическое изображение двух зарядов разной полярности и силовые линии электрического поля, возникающего между ними.

Важно! Главным условием возникновения электрического поля является то, что тело должно иметь какой-то заряд. Только тогда вокруг него возникнет поле, которое будет действовать на другие заряженные тела.

Чтобы определить величину напряженности электрического поля вокруг единичного пробного заряда используют закон Кулона, в этом случае:

Такое поле называют еще и кулоновским.

Другой важной физической величиной является потенциал электрического поля. Это уже не векторная, а скалярная величина, она прямопропорциональна энергии, приложенной к заряду:

Важно! Силовой и энергетической характеристикой электрического поля является напряженность и потенциал. Это и есть его основные физические свойства.

Он измеряется в Вольтах и численно равен работе ЭП по перемещению заряда из определенной точки в бесконечность.

Более подробно узнать о том, что такое напряженность электрического поля, вы можете из видео урока:

Виды полей

Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где оно существует. Рассмотрим несколько примеров возникающих полей в различных ситуациях.

1. Если заряды неподвижны – это статическое поле.
2. Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
3. Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
4. В радиоволнах выделяют электрическое и магнитное поле, которые расположены в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит, потому что любое изменение МП порождает возникновения ЭП с замкнутыми силовыми линиями.

Обнаружение электрического поля

Мы попытались вам рассказать все важные определения и условия существования электрического поля простым языком. Давайте разбираться, как его обнаружить. Магнитное обнаружить легко – с помощью компаса.

Электрическое поле мы можем обнаружить в быту. Все мы знаем, что если потереть пластиковую линейку об волосы, то мелкие бумажки начнут к ней притягиваться. Это и есть действие электрического поля. Когда вы снимаете шерстяной свитер, слышите треск и видите искорки – это оно же.

Другим способом обнаружить ЭП – поместить в него пробный заряд. Действующее поле отклонит его. Это применяется в ЭЛТ мониторах и, соответственно, лучевых трубках осциллографа, об этом поговорим позже.

Практика

Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду с себя и проскакивают искорки между волосами и шерстью, когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками, а они притягиваются и прочее. Но это не является нормальными техническими примерами.

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение. В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика. В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).

Из того, что есть в каждом доме – это электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них есть важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор. В нём заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, как раз таки благодаря работе электрического поля. На картинке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.

Другое применение в электротехнике — это полевые транзисторы или МДП-транзисторы. В их названии уже упоминается принцип действия. В них принцип работы основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

Другое применение уже отошедшее в быту, но еще «живое» в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или т.н. кинескопы). Где одним из вариантов устройства для перемещения луча по экрану является электростатическая отклоняющая система.

Если рассказать простым языком, то есть пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет этот электрон в нужную точку на экране, для получения необходимого изображения. Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме. Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.

На видео ниже кратко и понятно объясняется, что такое электрическое поле и какими свойствами обладает этот особый вид материи:

Материалы по теме:

samelectrik.ru

Электрическое поле и его особенности. Электростатическое поле (заряженных неподвижных тел) | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Если тело имеет электрический заряд, то оно взаимодействует с другими телами. Рассмотрим подробнее само явление взаимодействия.

Укрепим металлический шар на стержне электрометра и зарядим его от эбонитовой палочки, потертой мехом. Стрелка откло­нится от положения равновесия и засви­детельствует, что шар имеет электрический заряд. Подвесим на тонкой нити легкую металлическую гильзу и начнем подносить ее к шару. На определенном расстоянии станет заметным притягивание гильзы к шару. Нить отклонится от вертикального по­ложения (рис. 4.12). Если же она прикоснется к шару, то сразу же оттолкнется от него. Если незаряженную гильзу подносят к заряженному шару, то на ближнем конце гильзы появляется заряд противоположного знака. Вследствие этого гильза притягивает­ся к шару и касается его. При прикосно­вении часть заряда шара компенсирует за­ряд противоположного знака на гильзе. Ос­тавшийся заряд перераспределяется между шаром и гильзой. Они заряжаются одно­именно и отталкиваются. Подобное взаимо­действие можно наблюдать и в вакууме.

Если заряженные полоски на нитях раз­местить под колпаком воздушного насоса и откачать из него воздух, то никаких из­менений во взаимодействии полосок не за­метим (рис. 4.13).

Мы привыкли к тому, что действие одного тела на другое передается вследст­вие непосредственного контакта между ни­ми. Так, вагон придет в движение лишь тогда, когда локомотив начнет его тянуть или толкать. Мяч изменит направление дви­жения после взаимодействия с ногой фут­болиста или стойкой ворот.

Рис. 4.12. Металлическая гильза при­тягивается к заряженному шару

Рис. 4.13. Электрические силы дейст­вуют и в вакууме

Каков же механизм взаимодействия за­ряженных тел?

Майкл Фарадей (1791 — 1867) — извест­ный английский физик, основополож­ник учения об электромагнитном по­ле, один из основателей электрохимии, исследователь взаимодействия вещест­ва и магнитного поля.

Поиску ответов на данный вопрос по­святили жизнь многие ученые. И лишь вы­дающемуся английскому физику М. Фарадею удалось плодотворно осмыслить все извест­ные к тому времени знания из электричества и прийти к выводу о существовании элект­рического поля как вида материи.

Каковы же особенности электрического поля? Рассмотрим лишь самые общие из них.

Каждое заряженное тело или частица имеет электрическое поле.

Главным свойст­вом электрического поля является способность действовать на заряженные тела.

В со­ответствии с современными представления­ми, сложившимися на основании многочис­ленных исследований, взаимодействие заря­женных тел происходит потому, что на каж­дое из них действует поле другого тела.

Электрическое поле не имеет границ. Ес­ли и говорят об определенной «границе», то имеют в виду некоторую точку поля, в которой приборы уже не могут обнаружить это поле. Материал с сайта http://worldofschool.ru

Если состояние одного из взаимодейст­вующих электрически заряженных тел из­меняется, то происходят изменения и в электрическом поле. Они распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света. Подобные представ­ления о взаимодействии электрически заря­женных тел кратко выражаются в принципе близкодействия: взаимодействие между мате­риальными объектами осуществляется лишь в случае их непосредственного контакта, а информация об изменении состояния од­ного из взаимодействующих объектов пере­дается с конечной скоростью.

Теоретическими исследованиями другого английского ученого Дж. Максвелла было ус­тановлено, что существует единое электро­магнитное поле, отдельным проявлением ко­торого является электрическое поле. В си­стеме отсчета, где заряженные тела непод­вижны, это поле называется

электроста­тическим, то есть полем неподвижных за­ряженных тел.

На этой странице материал по темам:

• Электрическое поле заряженных неподвижных тел доклад

• Особенности электрического поля

• Электрический заряд и его особенности

• Существует ли электростатическое поле земли и каковы его особенности?

• Особенности электростатического поля

Вопросы по этому материалу:

• Кто установил существование электрического ноля?

• В чем ценность теоретических исследований Дж. Максвелла?

• Какое поле называют электростатическим?

• Имеет ли границу электростатическое поле?

worldofschool.ru

Электрическое поле — Сайт rudanovskiivalentin!

ГИПОТЕЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

  

          Установленный факт: наша планета несет отрицательный электрический заряд, который составляет 570 тысяч кулон, суммарный электрический ток стекания электронов составляет 1500 ампер =1500 кулон/сек .

 

Природа этого заряда имеет много гипотез.  Некоторые из гипотез доказывают, что у Земли нет заряда – она электрически нейтральна, а все существующие в атмосфере электрические заряды являются результатом поляризации. Т.е. сколько имеется зарядов отрицательных, столько имеется зарядов положительных. Перераспределению этих зарядов отдана роль молнии. Мною  предлагается свой взгляд на электрическое поле Земли, который в дальнейшем будет очень важным аргументом в понимании возникновения магнитного поля Земли, причин движения магнитных полюсов и несоответствия их географическим полюсам.

 

Исходя из факта существующего электрического тока между поверхностью Земли и ее ионосферой, приходим к заключению, что земной отрицательный потенциал должен поддерживаться какими-то источниками эмиссии электронов. Каковы эти источники?

 

Имеются несколько источников эмиссии электронов, которые, как предполагается, составляют и поддерживают отрицательный заряд планеты.

 

1. Термоэлектронная эмиссия, заключающаяся в том, что при нагревании вещества до определенных температур, оно может терять свои электроны с самыми слабыми связями. Эти электроны покидают свои родительские атомы при поступлении дополнительной энергии извне. Если эта энергия по величине больше работы выхода электрона из системы атома, то электрон покидает родной атом. На этом принципе основана электронная эмиссия во всех электронных лампах, где роль подогревателя играет накал (раскаленная спираль). Для атомов различных веществ, требуется различная энергия для выхода электрона. По этой причине, чем выше температура веществ, тем больше электронов эти вещества могут отдать.

 

Можно  предположить, что не только при увеличении температуры, но и при увеличении давления , атомы, уплотняясь, сбрасывают с себя электроны со слабыми связями.

 

 В земных недрах, в главном реакционном слое и других реакционных слоях идет переплавка мантийного вещества. Здесь бушуют химические реакции плавления с выделением тепла – это и есть глобальный источник эмиссии электронов. Если бы в какой-то момент главный реакционный слой перестал «работать», отрицательный заряд существенно бы уменьшился и может быть, исчез бы совсем.

 

В областях субдукции, при опускании тектонической плиты (эти процессы протекают толчками), в реакционном слое происходит временное охлаждение – в этот момент эмиссия электронов уменьшается и, соответственно, электрический заряд планеты уменьшается. После разогрева погруженной части плиты, эмиссия электронов снова увеличивается и электрический заряд планеты снова увеличивается. Как аналог, можно рассматривать процесс горения в печи. Когда в печь забрасывается новая порция топлива в виде дров или угля, резко падает температура очага горения – тепло идет на нагревание массы топлива до температуры возгорания. На это требуется время. После разогрева «дров» и их загорания топка снова  набирает свою температуру горения. Новая порция топлива – снова падение температуры, потом – снова подъем температуры.

 

2. Второй источник эмиссии электронов – это синтез тяжелых атомов из более легких, включая группу железных.   В тяжелом  металлическом  ядре нашей планеты имеются условия самых высоких температур и давлений –это условия сдавливания атомов до пределов их слияния с образованием более тяжелого элемента. При синтезе, легкие ядра объединяются, уплотняются, сливаются, но… при этом теряются электроны. Если посмотреть периодическую таблицу Д.Менделеева, то можно заметить, что соотношение электронов на одну атомную  единицу в тяжелых атомах меньше, чем у атомов легких. Электроны второго источника распространяются вместе с электронами первого источника и по одним и тем же каналам. Их доля неизвестна. Предполагаю, что сильные сдавливания атомов, само по себе, предполагают выдавливание слабо держащихся электронов. Это эффект синтеза и бароэлектронной эмиссии – эффект предполагаемый.

 

3. Третий источник электронов – фотоэлектронная эмиссия.  Световые и тепловые излучения Солнца, воздействуя на поверхность Земли, пыль и влагу в атмосфере выбивают своими квантами электроны со слабыми связями, создавая их избыток на солнечной стороне, увеличивая долю дневного отрицательного заряда. Эта доля  отрицательного заряда очень неустойчива и исчезает с уходом Солнца. Влияние этого источника очень мало.

 

4. γ- излучения создают электронный  пояс в ионосфере, максимум концентрации электронов находится на высотах от 300 до 500 км.- тоже отрицательный заряд.

 

5. Космические лучи тоже принимают участие в создание ионосферы и увеличивая проводимость атмосферы, создают условия для уменьшения  ее отрицательного заряда.

  

Определив источники эмиссии электронов, проследим  их дальнейшее перемещение. В чем здесь особенности? По закону Кулона, одноименно заряженные частицы, взаимодействуя  между собой, отталкиваются друг от друга. Преодолевая предел максимально возможного удержания электрического заряда, излишние электроны эмиссии через каналы в мантии, кору и атмосферу, перемещаются в космос.

 

Так как магма обладает повышенной электропроводностью, свойственной расплавам, то, в основном, она и является основным проводником электронов от главного реакционного слоя к поверхности планеты. Кроме того, исходя из этих же свойств магмы, вся астеносфера обладает огромным конденсирующим эффектом – на ее поверхности образуется неравномерно распределенный заряд электронов, который стремится выйти в атмосферу. Почему неравномерно? С учетом эквипотенциального распределения электрического заряда на поверхности и сложной формы поверхности астеносферы: где острее выпуклость, там и сильнее напряженность. Однако с учетом большой поверхности Земли покрытой соленой электропроводной водой Мирового океана, распределение заряда по водной поверхности  более равномерно. Однако переход электронов от водной поверхности Мирового океана в атмосферу происходит неравномерно. 

 

Если бы поверхность Земли имела   идеальную шаровую поверхность из металла, то на ее поверхности весь заряд распределялся бы равномерно. Реальная земная  поверхность неоднородна по проводимости и рельефу. Имеется много участков поверхности, которые совершенно не электропроводны: сухие пустыни, ледники… Но большая часть земной поверхности представляет собой электропроводную водную поверхность океанов и морей. Именно эта поверхность является потенциальным участком передачи электронов в атмосферу.  Не все участки на поверхности океанов и морей  имеют одинаковые условия. Самыми благоприятными условиями передачи электронов в атмосферу являются участки интенсивного испарения воды. Электроны, присоединяясь к капелькам испаряемой воды, легко перемещаются вместе с ними в атмосфере.

 

Самые неблагоприятные условия для перехода электронов в атмосферу через водную поверхность находятся в холодных водах полярных морей,  покрытых льдом.

 

Самые активные участки земной поверхности для перехода электронов в атмосферу находятся в районах хорошего прогревания вод. Это экваториальные  участки океанов, морей, озер, рек, болот. Они создают локальные аномалии отрицательного заряда в распределении глобального заряда планеты. Стоит обратить внимание на существование так называемых «геопатогенных зон», которые являются показателем неравномерного выхода электронов в атмосферу.

 

Если говорить о стабильности параметров электрического поля, то все его составные частички не стабильны и  склонны к изменениям. «Генераторы электронов» работают импульсивно, а значит, общее значение электрического поля может меняться  – эти вариации тысячелетние.

 

 Самой чувствительной и быстроменяющейся составной частью общего  заряда  Земли является ее атмосфера.

 

   От степени влажности атмосферного воздуха меняется и электропроводность атмосферы. В зависимости от метеорологических условий, проводимость атмосферы может меняться очень быстро.

 

      Общее потепление на планете приводит к увеличению испарения и увеличению влагосодержания атмосферы, а это, в свою очередь, приводит к увеличению ее электропроводности. Казалось бы, что увеличенное влагосодержание атмосферы должно увеличить ее электрический заряд за счет увеличения электрической емкости, но получается наоборот – при потеплении на планете ее отрицательный заряд тяготеет к уменьшению.

 

Для объяснения этого явления обратимся к поведению электрического заряда  в облаке.

 

Схема э-1.  Капли водных испарений, поднимаясь с земной поверхности уходят в атмосферу, унося с собой частичку его отрицательного заряда в виде присоединившихся к ним электронов. Когда эти микрокапли группируются в облака, то они создают объемный электрический заряд этого облака. Возникает отрицательно заряженное облако. Каждое облако – это скопление микрокапелек воды, которые способны нести как отрицательный, так и положительный заряды.

 

         Первоначально, облако возникает с объемным отрицательным зарядом.  В процессе подъема верхней части облака на более высокие, холодные эшелоны, заряд у верхней части облака постепенно меняется на противоположный и становится положительным. Облако приобретает конечную структуру такую: низ облака заряжен отрицательно, а верх -положительно. Для объяснения этого явления имеется несколько гипотетических объяснений. Главная рабочая гипотеза объясняет это явление поляризацией облака, но эта гипотеза ошибочна. Поляризация здесь не при чем, хотя сходство с поляризацией большое.

 

       Обратим внимание на изменение формы капли воды. Первоначально, сферическая капля воды имеет свойство удерживать максимальное количество электронов и поэтому она несет отрицательный заряд. При перемещении капли вверх, в холодную зону, она начинает кристаллизоваться, превращаясь в снежинку с развитой системой иголок –«молниеотводов», по которым  легко покидают свои гнезда-молекулы воды  не только излишние электроны, но и родные. Т.е., снежинка, по своей структуре, не может удерживать электроны за счет развитой системы иголок-«молниеотводов». Снежинка обладает эффектом короны – эффектом истечения электронов с острых иголок. Таким образом, первоначально отрицательно заряженная капелька превращается в положительно заряженную снежинку.

 

 В этой гипотезе возникает несколько вопросов, на которые нужно ответить.

 

1. Снежинка, падающая на землю не имеет никакого электрического заряда. Почему?

 

— Снежинка с положительным зарядом, который очень неустойчив, нейтрализуется проходя нижние эшелоны облака, которые заряжены отрицательно. 

 

2. Почему же в снежинке возникает положительный заряд?

 

Для сравнения, я хочу привести пример поведения углеродистой стали нагретой до высокой температуры и потом охлажденной при разных режимах, возникает несколько разных структур.

 

А. Медленное охлаждение  (вместе с печью) называется отжигом. Структура стали получается мягкой, без кристаллов. Сталь после отжига легко обрабатывается любым инструментом.

 

Б. Быстрое охлаждение (бросаем в воду) называется закалкой. Структура стали получается кристаллической. Сталь приобретает твердость и может сама использоваться как инструмент для обработки отожженной стали (напильник). Однако, при нагреве, закаленная сталь снова теряет свою твердость.

 

Капелька воды, изначально заряженная отрицательно, перемещаясь в холодную среду, в зависимости от скорости ее охлаждения тоже ведет себя по-разному.

 

А. При малой скорости охлаждения, у снежинки появляются крупные иголки, через которые лишние электроны стекают с нее — снежинка получается нейтрально заряженной.

 

Б. При большой скорости охлаждения, у снежинки возникают более тонкие иголки и она не может удержать электроны даже свои — перезаряжается до положительного заряда, который очень неустойчив и склонен к нейтрализации при малейшем нагреве.

 

       Электроны, покидая капельку воды, перемещаются в верхние яруса (граница: облако – атмосфера). Это  согласуется с тем явлением, что верхняя граница облака и атмосфера отрицательно заряжены и плотность этого заряда в несколько раз выше нормы.

 

              Гроза возникает при столкновении облака с холодным воздухом. Динамика такой встречи приводит к вертикальному движению (конвекции) масс. Теплые, отрицательно заряженные массы поднимаются вверх, охлаждаясь, начинают конденсироваться. Это происходит потому, что с понижением температуры  влагосодержание воздуха уменьшается – воздух не может в себе держать лишнюю воду, которая при повышенной температуре не была лишней. Мелкие капли, заряженные отрицательно, укрупняются в более крупные, не могут нести суммарный заряд мелких, так как чем меньше капля, тем большую плотность заряда она может удержать. Крупная капля удерживает меньшую плотность заряда. Плотность заряда – это отношение электрического заряда капли к ее массе. Процесс укрупнения капель приводит  к водянистости облака и увеличению плотности отрицательного заряда областей нижней части облака – так  возникает увеличение ее плотности заряда и электрического потенциала со знаком «минус».

 

 Концентрация электрического заряда при определенной его плотности, вызывает усиленную ионизацию молекул воды и воздуха, что приводит их к повышению проводимости и объединению множества элементарных зарядов в единый объемный заряд, который принимает участие в возникновении молнии. Такое явление хорошо наблюдается и в быту. Так, снимая синтетическую одежду через голову, мы можем наблюдать сияние на одежде – это сияет ионизированное электрическое поле множества единичных зарядов, который создают коронный разряд – «огни Эльма» в быту. Ионизированное электрическое поле – это объемный заряд.

 

В верхней части облака образуются снежинки с положительным зарядом. У снежинок имеется другой эффект – они имеют свойство слипаться между собой в хлопья, увеличивая концентрацию положительного заряда. В динамике движения снежинок, они сбиваются в еще более крупные хлопья – плотность  заряда растет. При сближении разноименных зарядов,  увеличивается плотность заряда и его потенциал с знаком «плюс». Таким образом, разность потенциалов между верхними и нижними объемами облака растет. При достижении пробойной напряженности (разности потенциала) электрического поля возникают молнии.

 

Если хлопья положительно заряженного снега нисходящим потоком заносятся вниз, где тепло, то они превращаются в водяные капли с  положительным зарядом.

 

Это только принципы возникновения и перераспределения электрических зарядов в облаке. На самом деле, в мощной грозовой туче наблюдается сложная динамика развития объемных зарядов:  возникновение, перезарядка, подзарядка, нейтрализация электрических емкостей. Процессы протекают очень быстро, но принципы остаются те же самые. 

 

Можно отметить, что для возникновения молнии условие наличия только разноименных объемных зарядов необязательно. Перераспределение заряда в виде молнии предполагает проявление достаточной напряженности и разности потенциала, которые будут равны или выше пробойной. Такие условия могут возникнуть между зарядами с разными потенциалами двух электрических емкостей, но одного и того же знака. Такие объемные электроемкости могут возникать мгновенно после молнии, которая  перераспределяет заряды или их нейтрализует. Именно существование таких промежуточных электрических емкостей создают предпосылки к возникновению молний типа «ломанная линия».

 

Нужно еще помнить, что направление электрического тока (эта характеристика условная, так как характеризует движение положительных зарядов) всегда обратно направлению движения электронов, так как электроны – это отрицательно заряженные частицы. Электрический ток , в основном, представлен движением электронов как в проводниках, так и в атмосфере. Существующее определение электрического тока, которое физически не совпадает с направлением главного носителя электрического тока – направлением движения электронов. Если бы определение электрического тока основывалось на движении электронов, все электрические процессы были бы  понятнее и не так запутаннее.

 

             При потеплении климата увеличивается количество возникающих грозовых туч. Это приводит к увеличению количества молний. Молнии быстрее передают электроны сразу в верхние части облака, что увеличивает скорость перемещения электронов в верхнюю часть атмосферы — суммарный отрицательный заряд Земли  уменьшается за счет более быстрой их утечки.

 

Электрическое   поле Земли   создает   в   атмосфере   электрический  ток  плотностью 2-3•10^-16А/см²при хорошей погоде, 1-10•10^-11А/см²при спокойных дождях, и до 10^-8А/см²при грозовых ливнях. Как видно, при грозовых явлениях у земного заряда имеется тенденция к ускоренному его уменьшению за счет существенного увеличения локальных токов утечки в миллионы раз. Огромная роль в переносе заряда через атмосферу отведена циклонам – глобальным вихрям атмосферного воздуха, которые «протыкают» всю тропосферу.

 

Таким образом, потепление климата приведет к увеличению циклонов, которые приведут к уменьшению общего электрического заряда атмосферы и всей планеты, а это приведет к уменьшению составляющей магнитного поля от кругового тока заряда планеты.

 

Исходя из природы возникновения электрического отрицательного заряда Земли и переходного свойства «водяная капля – снежинка», можно предположить, что атмосферный заряд Земли имеет сложную структуру: максимальное значение отрицательного заряда находится в экваториальной ее части, постепенно уменьшаясь к высоким широтам и переходя в слабое поле полярных положительных зарядов. Распределение отрицательного заряда по экватору таково: на океанических пространствах заряд увеличивается с востока на запад, достигая максимума перед континентами, над континентами величина заряда падает с востока на запад достигая минимума перед океаном.

 

Схема э-2.  Структура электрического поля Земли согласно предложенной концепции:

 

А — распределение электрических зарядов в атмосфере Земли по меридиану

 

Б  — распределение электрических зарядов по экватору

www.rudanovskiy.ru

Электрическое поле. Электрический ток.

Электрическое поле

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле.

Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Если к электроскопу, не касаясь его оси, поднести на некотором расстоянии заряженную палочку, то стрелка все равно будет откланяться. Это и есть действие электрического поля.

Напряженность электрического поля

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды.  Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Графически силовые поля изображают силовыми линиями.

Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.                

Потенциал. Разность потенциалов. Кроме  напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал j. Потенциал j – это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

Диэлектрики в электрическом поле

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Полярные и неполярные диэлектрики

К неполярным относятся диэлектрики, в атомах или молекулах которых центр отрицательно заряженного электронного облака совпадает с центром положительного атомного ядра. Например, инертные газы, кислород, водород, бензол.

Полярные диэлектрики состоят из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Например, спирты, вода. Их молекулы можно рассматривать как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Такую в целом нейтральную систему называют электрическим диполем.

Проводники в электрическом поле

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды.  Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

При внесении в электрическое поле проводника свободные заряды в нем приходят в движение. Перераспределение зарядов вызывает изменение электрического поля. Движение зарядов прекращается только тогда, когда напряженность электрического поля внутри проводника становится равной нулю. Свободные заряды перестают перемещаться вдоль поверхности проводящего тела при достижении такого распределения, при котором вектор напряженности электрического поля в любой точке перпендикулярен поверхности тела.   Электростатическое поле внутри проводника равно нулю, весь статический заряд проводника сосредоточен на его поверхности.

Электроемкость, конденсатор

Электроемкость – количественная мера способности проводника удерживать заряд.

Простейшие способы разделение разноименных электрических зарядов – электризация и электростатическая индукция – позволяют получить на поверхности тел не большое количество свободных электрических зарядов. Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

 Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электрический ток

Это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока.

Источниками могут служить – гальванический элемент(происходят хим. реакции и внутренняя энергия, превращается в электрическую) и аккумулятор(для зарядки через него пропускают постоянный ток, в результате химической реакции один электрод становиться положительно заряженным, другой – отрицательно.

Действия электрического тока: тепловое, химическое, магнитное.

Направление электрического тока: от + к –

Поэтому достаточным условием для существования тока является наличие электрического поля и свободных носителей заряда.  О наличии тока можно судить по явлениям, которые его сопровождают: Проводник, по которому течет ток, нагревается. Электрический ток может изменять химический состав проводника.

Силовое воздействие на соседние точки и намагниченные тела.

При существовании электрического поля внутри проводника, на концах его существует разность потенциалов. Если она не меняется, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

Сила тока

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным.

Электродвижущая сила

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд.

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время.

Соединение источников тока

Химические источники э. д. с. (аккумуляторы, элементы) включаются между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение источников э. д. с. На рисунке представлены три соединенных между собой аккумулятора. Такое соединение аккумуляторов, когда минус каждого предыдущего источника соединен с плюсом последующего источника, называется последовательным соединением. Группа соединенных между собой аккумуляторов или элементов называется батареей.

fireman.club

Электрическое поле. Виды и работа. Применение и свойства

Электрическое поле – это векторное поле, действующее вокруг частиц обладающих электрическим зарядом. Оно входит в состав электромагнитного поля. Для него характерно отсутствие реальной визуализации. Оно невидимо, и может быть замечено только в результате силового воздействия, на которое реагируют другие заряженные тела с противоположными полюсами.

Как устроено и действует электрическое поле

По сути, поле является особым состоянием материи. Его действие проявляется в ускорении тел или частиц, обладающих электрическим зарядом. К его характеризующим особенностям, можно отнести:

• Действие только при наличии электрического заряда.
• Отсутствие границ.
• Наличие определенной величины воздействия.
• Возможность определения только по результату действия.

Поле неразрывно связано с зарядами, которые находятся в определенной частице или теле. Оно может образовываться в двух случаях. Первый предусматривает его появление вокруг электрических зарядов, а второй при перемещении электромагнитных волн, когда меняется электромагнитное поле.

Электрические поля воздействуют на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные частицы. В результате они получают силовое влияние. Пример воздействия поля можно наблюдать и в быту. Для этого достаточно создать электрический заряд. Учебники физики предлагают для этого простейший пример, когда диэлектрик натирается о шерстяное изделие. Получить поле вполне возможно, взяв пластиковую шариковую ручку и потерев ее о волосы. На ее поверхности образуется заряд, что приводит к появлению электрического поля. Как следствие ручка притягивает мелкие частицы. Если ее преподнести к мелко разорванным кусочкам бумаги, то они будут притягиваться к ней. Такой же результат можно достигнуть и при использовании пластиковой расчески.

Бытовым примером проявления электрического поля является образование мелких световых вспышек при снятии одежды из синтетических материалов. В результате нахождения на теле диэлектрические волокна накапливают вокруг себя заряды. При снятии такого предмета одежды электрическое поле подвергается различным силам воздействия, что и приводит к образованию световых вспышек. Особенно это характерно для зимней одежды, в частности свитеров и шарфов.

Свойства поля

Для характеристики электрического поля применяется 3 показателя:

• Потенциал.
• Напряженность.
• Напряжение.

Потенциал

Данное свойство является одним из главных. Потенциал указывает на количество накопленной энергии применяемой для перемещения зарядов. По мере их сдвига энергия расточается, постепенно приближаясь к нулю. Наглядной аналогией данного принципа может выступить обыкновенная стальная пружина. В спокойном положении она не обладает никаким потенциалом, но только до того момента, пока не будет сжата. От такого воздействия она получает энергию противодействия, поэтому после прекращения влияния обязательно разогнется. Когда пружина отпускается, то моментально распрямляется. Если на ее пути окажутся предметы, она начнет их двигать. Возвращаясь непосредственно к электрическому полю потенциал можно сравнить с приложенными усилиями на выпрямление назад.

Электрическое поле обладает потенциальной энергией, что и делает его способным выполнять определенное воздействие. Но перемещая заряд в пространстве, оно истощает свой ресурс. В том же случае если передвижение заряда внутри поля осуществляется под воздействием сторонней силы, то поле не только не теряет свой потенциал, но и пополняет его.

Также для большего понимания данной величины можно привести еще один пример. Предположим, что незначительный положительно заряженный заряд располагается далеко за пределами действия эл.поля. Это делает его совершенно нейтральным и исключает взаимный контакт. Если же в результате воздействия любой сторонней силы заряд будет двигаться по направлению к электрическому полю, то достигнув его границы, будет втянут в новую траекторию. Энергия поля, затраченная на влияние относительно заряда в определенной точке воздействия, и будет называться потенциалом на этой точке.

Выражение электрического потенциала осуществляется через единицу измерения Вольт.

Напряженность

Этот показатель применяется для количественного выражения поля. Данная величина рассчитывается как отношение положительного заряда воздействующего на силу действия. Простым языком напряженность выражает силу эл.поля в определенном месте и времени. Чем выше напряженность, тем более выраженным будет влияние поля на окружающие предметы или живые существа.

Напряжение

Этот параметр образуется от потенциала. Он применяется для демонстрации количественного соотношения действия, которое производит поле. То есть, сам потенциал показывает объем накопленной энергии, а напряжение демонстрирует потери на обеспечение движения зарядов.

В электрическом поле положительные заряды перемещаются от точек с высоким потенциалом в места, где он ниже. Что касается отрицательных зарядов, то они движутся противоположно. Как следствие осуществляется работа с использованием потенциальной энергии поля. Фактически напряжение между точками качественно выражает работу, совершенную полем для переноса единицы противоположно заряженных зарядов. Таким образом, термины напряжение и разность потенциалов это одно и то же.

Наглядное проявление поля

Электрическое поле имеет условное визуальное выражение. Для этого применяются графические линии. Они совпадают с линиями воздействия силы, которые излучают заряды вокруг себя. Помимо линии действия сил, также важно их направление. Для классификации линий за основу определения направлений принято использовать положительный заряд. Таким образом, стрелка движения поля идет от положительных частиц к отрицательным.

Чертежи, изображающие эл.поля, на линиях имеют направление в виде стрелки. Схематически в них всегда есть условное начало и конец. Таким образом, они не замыкаются сами на себе. Силовые линии берут свое начало на точке нахождения положительного заряда и заканчиваются на месте отрицательных частиц.

Электрическое поле может иметь различные типы линий в зависимости не только от полярности заряда, который способствует их образованию, но и наличию сторонних факторов. Так, при встрече противоположных полей они начинают действовать друг на друга притягательно. Искаженные линий приобретают очертания гнутых дуг. В том же случае, когда встречаются 2 одинаковых поля, то они отталкиваются в противоположные стороны.

Сфера применения

Электрическое поле обладает рядом свойств, которые нашли полезное применение. Данное явление используется при создании различного оборудования для работы в нескольких весьма важных сферах.

Использование в медицине

Воздействия электрического поля на определенные участки тела человека позволяет повышать его фактическую температуру. Это свойство нашло свое применение в медицине. Специализированные аппараты обеспечивают воздействия на необходимые участки поврежденных или больных тканей. В результате чего улучшается их кровообращение и возникает заживляющий эффект. Поле воздействует с высокой частотой, поэтому точечное влияние на температуру дает свои результаты и вполне ощутимо для больного.

Применение в химии

Данная сфера науки предусматривает использования различных чистых или смешанных материалов. В связи с этим работа с эл.полями не могла обойти эту отрасль. Компоненты смесей взаимодействуют с электрическим полем по-разному. В химии это свойство применяется для разделения жидкостей. Данный метод нашел лабораторное применение, но встречается и в промышленности, хотя и реже. К примеру, при воздействии полем осуществляется отделения в нефти загрязняющих компонентов.

Электрическое поле применяется для обработки при фильтрации воды. Оно способно отделить отдельные группы загрязняющих веществ. Такой способ обработки намного дешевле, чем использование сменных картриджей.

Электротехника

Использование электрического поля имеет весьма интересное применение в электротехнике. Так, был разработан способ беспроводной передачи электричества от источника до потребителя. До недавнего времени все разработки имели теоретический и экспериментальный характер. Уже имеется эффективная реализация технологии зарядки телефона без применения непосредственного гибкого кабеля вставляемого в USB разъем смартфона. Данный способ пока не позволяет передавать энергию на продолжительное расстояние, но он совершенствуется. Вполне возможно, что в ближайшем будущем надобность в зарядных кабелях с блоками питания отпадет полностью.

При выполнении электромонтажных и ремонтных работ применяется светодиодная индикаторная отвертка, действующая на основе схемы полевого транзистора. Помимо ряда функций, она может реагировать на электрическое поле. Благодаря этому при приближении пробника к фазному проводу индикатор начинает светиться без фактического касания к токопроводящей жиле. Он реагирует на поле исходящие от проводника даже сквозь изоляцию. Наличие электрического поля позволяет находить токопроводящие провода в стене, а также определять точки их разрыва.

Защититься от воздействия эл.поля можно при помощи металлического экрана, внутри которого его не будет. Это свойство широко применяется в электронике, чтобы исключить взаимное влияние электрических схем, которые расположены довольно близко друг к другу.

Возможности применения в будущем

Имеются и более экзотические возможности для электрического поля, которыми на сегодняшний день еще не обладает наука. Это коммуникации быстрее скорости света, телепортация физических объектов, перемещение за один миг между разомкнутыми местоположениями (червоточины). Однако для осуществления подобных планов будут нужны куда более сложные исследования и эксперименты, чем проведение экспериментов с двумя возможными исходами.

Однако наука все время развивается, открывая все новые возможности применения электр.поля. В будущем его сфера использования может значительно расшириться. Возможно, что оно найдет применение во всех значимых областях нашей жизни.

Похожие темы:

 

electrosam.ru

9 Электрическое поле

8. (18).1)Охарактеризовать систему знании об электрических зарядах и их взаимодействии. Понятием «электрический заряд», так же как и понятием электромагнитное поле», учащиеся овладевают постепенно по мере изучения электродинамики.

Школьникам сообщают, что заряд — количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. При этом следует обратить их внимание на то, что термин «электрический заряд» употребляют в различных смыслах: как термин, равнозначный выражениям «заряженная частица», «заряженное тело», для обозначения физической величины.

Еще в базовом курсе физики учащиеся узнали о фундаментальном свойстве — о существовании зарядов двух видов, причем заря-1ы одного знака отталкиваются, заряды разных знаков притягиваются друг к другу. Очень важно разъяснить, что электрический заряд не тождествен веществу. Заряд всегда связан с материальным носителем — телом или частицей. Электрический заряд — неотъемлемое свойство некоторых элементарных частиц. Не существует заряда без материального носителя, хотя нейтральные элементарные частицы есть (нейтрон и др.).

При анализе опыта Иоффе-Милликена показывают, что электрический заряд дискретен, он может принимать строго определенные значения. Школьники должны знать: вся современная физика приводит к выводу о существовании атома электричества — элементарного заряда. Есть много доказательств дискретности заряда. Сейчас их ознакомят с одним из них, в дальнейшем они узнают о других. Необходимо подчеркнуть также, что дискретность заряда элементарных частиц — проявление одной из существенных особенностей микромира. Далее школьники узнают, что в микромире дискретность присуща и ряду характеристик движения, например энергии. Это создает некоторую основу для восприятия в дальнейшем идеи квантования в атомной и ядерной физике.

Учащиеся обязательно должны запомнить округленные значения элементарного заряда и массы покоя электрона: е= 1,6-10-19 Кл, me=9,1*10-31кг.

Полезно обсудить в процессе изучения электродинамики разные методы измерения заряда, например с помощью опыта Милликена или силы Лоренца; путем измерения силы тока и времени его протекания; на основе электролиза и др.

Школьникам разъясняют, что электрический заряд макроскопического тела равен сумме положительных и отрицательных зарядов частиц, входящих в состав данного тела. В обычном состоянии большинство тел электрически нейтральны, то есть число электронов в них, равно числу протонов. Нейтрален и атом любого вещества. Таким образом, положительно и отрицательно заряженные частицы в веществе связаны и образуют нейтральные системы. Чтобы получить заряженные макроскопические тела, необходимо нейтральные тела наэлектризовать, т. е. отделить часть отрицательного заряда от связанного с ним положительного. Рассматривают способы электризации. Макроскопическое тело можно зарядить двумя способами: электризацией трением (вернее сказать, соприкосновением) или электризацией через влияние.

Центральное место в разделе «Электродинамика» при изучении электрических зарядов занимает закон сохранения электрического заряда, который подтверждается всеми без исключения наблюдениями, проводившимися до сих пор. В старших классах возможна формулировка этого закона, которая учитывала бы атомистическое представление о строении электричества: в изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается постоянной, заряженные частицы могут возникать вновь, но всегда рождаются парами: с одинаковыми по модулю и противоположными по знаку зарядами. Исчезают заряженные частицы тоже парами, превращаясь в нейтральные. Наряду с данной формулировкой можно дать и другую — макроскопическую, основанную на идее возможности измерения заряда: алгебраическая сумма зарядов в замкнутой системе остается неизменной во времени.

Школьникам дают возможное здесь доказательство справедливости закона сохранения заряда: одновременное появление противоположных по знаку, но равных по модулю зарядов при контактной электризации тел. Позднее они узнают о появлении двух противоположно заряженных частиц в процессе рождения электронно-позитронной пары, а также о превращении электронно-позитронной пары в фотоны, что также является доказательством этого закона. Можно рассказать еще, что любые процессы электризации тел (через влияние, химическая электризация в гальваническом элементе, фотоионизация и др.) сводятся по существу к разделению равных по модулю зарядов с противоположными знаками. Но не менее важно уяснить еще одно свойство заряда — его инвариантность, т.е. независимость модуля заряда от скорости движения заряженной частицы, а значит, и от системы отсчета. Школьникам объясняют, что закон сохранения электрического заряда тесно связан с инвариантностью заряда. Если бы величина заряда зависела от его скорости, то, приведя в движение заряды какого-нибудь одного знака, мы изменили бы суммарный заряд изолированной системы.

Таким образом, заряд не только сохраняется, но и не зависит от системы отсчета, он инвариантен. В этой связи надо заметить, что школьники часто отождествляют понятия «сохранение величины» и «инвариантность величины». Полезно обратить их внимание на то, что это не одно и то же: величина может сохраняться и, тем не менее, не быть инвариантной. Например, для таких величин, как энергия, масса, импульс, справедливы законы сохранения, и в то же время они изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, т. е. они не инвариантны. Все электромагнитные явления протекают так, как должно быть при абсолютности зарядов. Это является подтверждением принципа абсолютности (инвариантности)заряда.

Основные знания, которые должны приобрести школьники о взаимодействии зарядов, сводятся к следующему. Для неподвижных заряженных тел сила взаимодействия определяется законом Кулона. В случае движущихся зарядов сила электромагнитного взаимодействия существенно зависит от модуля и направления скорости. Соответственно электромагнитное взаимодействие как бы состоит из двух компонент: электрической и магнитной. Лишь в отдельных случаях (в некоторых системах отсчета) электромагнитное взаимодействие носит только электрический или только магнитный характер. Но поскольку скорость тела зависит от системы отсчета, то взаимодействие, его характер определяется системой отсчета.

Принципиально важно все время подчеркивать: взаимодействие между заряженными телами (частицами) осуществляется через поле. Заряженные тела (частицы) непосредственно друг с другом не взаимодействуют.

2) Электрическое поле в вакууме.По современным представлениям атомы и молекулы, состоящие из атомов, состоят из электрически заряженных частиц. Атом = ядро + электронная оболочка; ядро:z протонов + (A-z) нейтронов; протон: элементарный положительный заряд; q_p=+e=1,6*10^-19 Кл, где z порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Единицей электрического заряда в системе СИ является 1 Кл(большая величина статического заряда). Основной силовой характеристикой электрического поля окружающий электрически заряд является напряженность.– вектор напряженности электростатического поля. Пространство окружающее электрический заряд находится в особом состоянии. Это состояние проявляется в том, что на помещенный в данную точку поля пробный электрический заряд действует сила. Пробный заряд должен быть малой величины, чтобы введение такого заряда не исказило электрическое свойство среды. По определению напряженность электрического поля равна силе, действующей в данной точке поля на единичный положительный пробный заряд.

;

;

Обычно ЭП изображают посредством силовых линии или линии напряженности, при условии, что густота линии напряженности пропорциональна напряженности в данной точке поля.

Наряду с напряженностью поля, которая является важнейшей силовой характеристикой ЭП, вводят понятие потенциал ЭП. Обозначается φ. Она является энергетической характеристикой ЭП.или, где А-работа при перемещении заряда из данной точки. Связь между напряженностью ЭП и потенциалом:,–скалярная величина, аgradφ– векторная.

Принцип суперпозиции. Если в данной точке пространства различные заряженные частицы создают ЭП, напряженности которых и т.д., то результирующая напряженность в данной точке равна– принцип суперпозиции.

3) Теорема Остроградского-Гауса. Рассмотрим поле точечного заряда. Проведем сферическую поверхность с центром где расположен заряд.

Сферическая пов.

, ,,=, [Ф]=В*м

Возьмем площадку dS(см. рис.) ,,=, т.к.,,. Рассмотрим вопрос о величине потока Ф_Е через произвольную замкнутую поверхность.

проведем элементарный телесный угол ,= между сечениями... Определим поток вектора электрической напряженности пронизывающи произвольную замкнутую поверхность при условии, что внутри этой поверхности находится не один точечный заряд, а несколько зарядов. Заряды могут иметь разные знаки.,.

Здесь нужно знать определение: выходящая из поверхности линия учитывается со знаком «+», входящая со знаком «-». Общее число пересечении всегда нечетное и алгебраическая сумма пересечении равна 1. Из приведенного рассмотрения следует важный вывод, который представляет собой суть теоремы Ост.-Г.: поток линии вектора электрической напряженности, создаваемый точечными зарядами, через произвольную замкнутую поверхность равен: ,находящийся внутри данной замкнутой поверхности.

Рассмотрим случай, когда мы имеем заряженное облако:. Введем понятие объемной плотности эл. заряда–.– если заряд расположен равномерно,– не очень равномерно,– сильно не равномерно.,.. Теорема Остроградского_Гаусса. По определению. Ряд важных задач электростатики легко решаются с помощью теоремы Остроградского_Гаусса. В частности задачи по определению напряженности в данной точке ЭП. Особенно просто решаются задачи в случае центральной, осевой или плоскостной симметрии. Например: пусть у нас имеется бесконечная плоскость равномерно заряженная. Пусть положительным зарядом с постоянной поверхностной плотностью электрического заряда.. Задача. Определим напряженность в т.О. Алгоритм:

1. Выбери произвольную замкнутую поверхность проходящую через искомую точку и имеющую хорошую форму. 2. Запиши теорему Ост.-Г. 3. Запиши определение потока Ф_Е.

_{=[ ]=}. ,,,.

4) Электроемкость. Опыт показывает, что при увеличении заряда на проводнике возрастает и его потенциал пропорционально заряду, причем зависимость между φ иq проводника оказываются прямопропорциональная. или, где С- коэффициент пропорциональности–электроемкость или кратко- емкость, т.е.=(фарада). В случае шара радиусаR и заряда q:

. На поверхности шара( проводника):,,–емкость шара радиусаR. Емкость проводника не зависит от заряда проводника и его потенциала, она определяется размерами и формой проводника, а также наличием вблизи проводника других проводников.

5) Конденсаторы. Он представляет собой систему из двух проводников, которая имеет большую электроемкость. Существуют различные виды конденсаторов. а). плоский конденсатор. ,,,.

Если пространство между пластинками заполнена диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ξ, то емкость соответственно возрастает в ξ раз, и формула для расчета емкости принимает вид: . При наличии диэлектрика во всех выражениях электростатики вместо ξ₀ входит ξξ₀.

б) сферически конденсатор.

. Также можно написать и для φ1 и φ2. –емкость сферического конденсатора. В реальностиочень мало, поэтому, т.к..

в) цилиндрический конденсатор.

,

6) Энергия электростатического поля.

а).Энергия системы точечных неподвижных зарядов. .–первое начало термодинамики.–т.к. без теплообмена.,,,.

Можем сформировать то же самое поле системы 2-х точечных электрических зарядов иначе, полагая что +q2 находится в т.2, а 1-го заряда еще нет. Пусть первый заряд находится на ∞, мы будем перемещать его из ∞ в т. 1. Тогда мы получим ту же самую систему с той же самой энергией ,. Можно сказать,,. Добавим системе 3 точечный заряд

. Если много зарядов, то .(*)

Вывод: энергия электростатического поля, состоящего из N зарядов, выражается формулой (*), где φ_i–потенциал, где находится данный i-ый заряд, создаваемый в этой точке всеми остальными зарядами, кроме данного i-го.

б) Энергия заряженного проводника:.

в) Энергия заряженного конденсатора: – для плоского конденсатора.

7) ЭП при наличии проводников. Рассмотрим проводник. Поверхностная плотность в разных местах будут различными. Исходя из теоремы Остроградского-Гаусса можно сказать, что напряженность ЭП в любой точке внутри проводника равна нулю. Исходя из соотношения между вектором E и вектором градиента (), можно сказать, что φ внутри заряженного проводника постоянна. Для дальнейших соображении важно что φ в любой точке одинаков, значит поверхность в любой точке проводника является эквипотенциальной. Значит линии напряженности входящие или выходящие вблизи поверхности идут перпендикулярно поверхности, т.к. семейство линии напряженности перпендикулярно к этой поверхности.,–определение.,,.(*) Из приведенного рассмотрения вытекает следующие выводы: 1.Вне проводника: а) поверхность проводника является эквипотенциальной; б) вблизи поверхности линии напряженности и вектор напряженности перпендикулярно поверхности; в) вблизи поверхности соответствует (*).

2.Внутри проводника: а) ; б)(). Предположим, что заряженный проводник имеет «-» заряд. Это значит, что он имеет некоторое избыточное число электронов. Они взаимодействуя по закону Кулона и имея «-» заряд, отталкиваются и стремятся разойтись как можно дальше. Т.к. рассматриваем проводник, т.е. обладают высокой проводимостью, т.е. электроны легко перемещаются, то в результате отталкивания расходятся друг от друга и оказываются в тончайшем слое проводника, причем большее скопление вблизи острия. Поэтому поверхностная плотность оказывается различной: на вогнутой мала, на выпуклой – побольше, вблизи заострении– очень большая:. Напряженность ЭП вблизи острия тоже большая.

8) Раскрыть методику изучения одного из элементов знания. Электромагнитное поле.

Формирование понятия электромагнитного поля в курсе физики средней школы начинают в базовом курсе, а завершают в старших классах профильной школы. В базовом курсе при введении элементарных сведений об электромагнитных явлениях, дают первоначальные представления об электрическом и магнитном полях, в старших классах — проводят количественное изучение электромагнитных явлений, рассматривают частные случаи электромагнитного поля, их свойства и характеристики, вводят понятие электромагнитного поля; при изучении электромагнитных волн вводят понятие свободного электромагнитного поля, знания об электромагнитном поле расширяют и обобщают при изучении волновой оптики и квантовой физики.

Обычно понятие электрического поля вводят при изучении электростатических явлений и связывают с покоящимися заряда-ми, а понятие магнитного поля вводят при изучении постоянного тока и связывают с током или движущимися зарядами. Понятие электромагнитного поля можно вводить в различных местах раздела «Электродинамика»: при изучении магнитного поля движущегося заряда, при изучении электромагнитных колебаний и волн. Программа общеобразовательной средней школы рекомендует ввести это понятие при изучении явления электромагнитной индукции.

Наиболее целесообразно вводить понятие электромагнитного поля в начале изучения раздела «Электродинамика».Начать изучение учебного материала целесообразно с развернутого введения в электродинамику, где на основе уже имеющихся у школьников знаний вводят первоначальные представления об электромагнитном поле. Дальнейшее изучение электромагнитных явлений углубляет и расширяет знания об электромагнитном поле. Обычно можно предъявить такие замечания по содержанию и возможную методику изучения материала введения в электродинамику, где вводят понятие электромагнитного поля. После повторения и обобщения основных сведений об электромагнитных явлениях, полученных учащимися в базовом курсе физики, выясняют особенности электродинамики, сравнивают ньютоновскую механику и электродинамику. Школьникам напоминают, что в механике они изучали силы тяготения, упругости и трения, которые зависят или от расстояния между взаимодействующими телами, или от их относительных скоростей. Затем предлагают пронаблюдать опыт по взаимодействию параллельных токов. Это типичный пример электромагнитного взаимодействия. Ребята наблюдают взаимодействие проводников, но не могут объяснить причину возникновения силы притяжения или отталкивания, так как расстояние d между проводниками и относительная скорость электронов в проводниках не изменяются. Значит, возникли силы, которых в механике не было, это силы электромагнитного взаимодействия. В этом случае говорят, что вокруг каждого из проводников возникло магнитное поле. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током с некоторой силой. Правомерно говорить и наоборот: магнитное поле второго проводника действует на первый.

Затем излагают вопрос о передаче взаимодействий. Ньютоновская механика опирается на принцип дальнодействия (взаимодействия передаются мгновенно на сколь угодно большие расстояния). По существу, учащиеся это знают, но данную сторону вопроса теперь следует подчеркнуть и оттенить. Отличительная особенность электродинамики — необходимость трактовки электромагнитных явлений с позиций другой концепции (концепции близкодействия), согласно которой взаимодействия между зарядами (токами, магнитами) передаются с конечной скоростью.

Далее школьникам сообщают, что конечность скорости передачи взаимодействий приводит к тому, что если заряд из точки А переместится в некоторую точку А», то изменение силы, действующей на заряд в точке В, произойдет не мгновенно, а спустя некоторое время. Поскольку взаимодействие между электрическими зарядами распространяется с конечной скоростью (и в среде, и в пустоте), то имеет место какой-то процесс, распространение которого происходит с конечной скоростью. Тогда должен быть и какой-то материальный объект, с которым этот процесс происходит, так как нельзя представить себе процесс, который бы осуществлялся при отсутствии чего бы то ни было реально существующего. Все это можно объяснить, только введя понятие об электромагнитном поле. Реальность электромагнитного поля подтверждается и иллюстрируется хорошо известными учащимся фактами: распространением электромагнитных волн (радиосвязь, телевидение). Эффектны примеры с радиолокацией Луны, с управлением луноходом и др.

studfiles.net

45.1 Условия существования постоянного электрического тока в цепи.

45.1 Условия существования постоянного электрического тока в цепи.

 Обсудим, при каких общих условиях можно создать устройство, в котором длительное время может существовать электрический ток.
 Первое обязательное условие − наличие проводников, так как заряженные частицы могут двигаться только в проводниках. Если проводящее тело поместить в электрическое поле, то под его действием свободные заряженные частицы придут в движения, то есть появится электрический ток (рис. 396).

рис. 396
 Однако движение этих частиц приведет к появлению индуцированных зарядов, которые, в свою очередь, приведет к возникновению электрического поля, которое полностью компенсирует внешнее поле, поэтому электрический ток прекратится очень быстро. Следовательно, для поддержания электрического тока в проводнике необходимо постоянно переносить заряды с одной стороны проводника на другую. Иными словами необходимо создать замкнутый проводящий контур, по которому может циркулировать постоянный ток. Обязательность наличия замкнутого контура также обосновывается законом сохранения электрического заряда. Для того чтобы переносить заряды с одной стороны рассматриваемого проводника на другую необходимо постоянно совершать работу против сил электрического поля. То есть в контур необходимо включить устройство, совершающее эту работу. Сразу заметим, что указанная работа не может быть совершена электростатическим полем! Так как электростатическое поле потенциально, то работа сил пол по перемещению зарядов по любому замкнутому контура равна нулю. Поэтому попытки придумать такое расположение зарядов, которая создает электростатическое поле, обеспечивающее существование постоянного тока, обречены на неудачу. Следовательно, упомянутое устройство для переноса зарядов против сил электростатического поля (назовем его источником или генератором тока), должно переносить заряды с помощью любых сил, кроме электростатических. Сторонние силы не должны быть потенциальными, так работа этих сил по замкнутому контуру должна быть положительна, то есть, отлична от нуля.
Можно также говорить, что источник тока должен разделять электрические заряды, перенося заряды одного знака на один полюс источника, а заряды другого знака на второй. При появлении зарядов на полюсах источника внутри его создается электрическое поле, чтобы продолжить разделение зарядов необходимо совершать работу по преодолению сил этого поля.
 Силы, совершающие работу по перенесению электрических зарядов против сил электростатического поля, называются сторонними силами. Природа сторонних сил может быть самой различной, эти силы могут возникать в результате протекания химических реакций (в гальванических элементах и аккумуляторах), они могут возникать при изменении магнитного поля (в электромагнитных генераторах), в фотоэлементах разделение зарядов происходит под действием света и т.д.
 Здесь уместно провести аналогию с движением вязкой жидкости по трубам. Для того, чтобы жидкость текла по трубе, к ней постоянно необходимо прикладывать внешнюю силу для преодоления сил вязкости. В качестве такой силы может выступать, например, сила тяжести. Для поддержания постоянного тока жидкости необходимо создать замкнутый контур, в который следует включить насос, совершающий работу по подъему жидкости, то есть работу против сил тяжести. Таким образом, источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос в водопроводном контуре.

fizportal.ru