Свойства и основные характеристики электрических полей

Свойства и характеристики электрического поля изучают почти все технические специалисты. Но университетский курс часто бывает написан сложным и непонятным языком. Поэтому в рамках статьи доступно будут описаны характеристики электрических полей, чтобы в них мог разобраться каждый человек. Кроме этого, отдельное внимание мы уделим взаимосвязанным понятиям (суперпозиция) и возможностям развития данной сферы физики.

Видео: 14.01-2 Напряженность электрического поля

Общая информация

Согласно современным представлениям, электрические заряды между собой не взаимодействуют непосредственно. Из этого вытекает интересная особенность. Так, каждое заряженное тело имеет своё электрическое поле в окружающем пространстве. Оно оказывает влияние на другие субъекты. Характеристики электрических полей представляют для нас тот интерес, что они показывают воздействие поля на электрические заряды и силу, с которой оно осуществляется. Какой из этого можно сделать вывод? Заряженные тела не оказывают взаимного непосредственного воздействия. Для этого используются электрические поля. Как их можно исследовать? Для этого можно воспользоваться пробным зарядом – небольшим точечным пучком частиц, что не окажет заметного влияния на сложившуюся структуру. Так какие величины являются характеристиками электрического поля? Всего их три: напряженность, напряжение и потенциал. Каждая из них имеет свои особенности и сферы влияния на частицы.

Электрическое поле: что это такое?

Но прежде чем переходить к основному предмету статьи, необходимо иметь определённый багаж знаний. Если они есть, то эту часть можно уверенно пропустить. Первоначально давайте рассмотрим вопрос причины существования электрического поля. Для того чтобы оно было, необходим заряд. Причем свойства пространства, в котором пребывает заряженное тело, должно отличаться от тех, где его нет. Здесь есть такая особенность: если в определённую систему координат поместить заряд, то изменения произойдут не мгновенно, а только с определённой скоростью. Они будут, подобно волнам, распространяться в пространстве. Это будет сопровождаться появлением механических сил, что действуют на другие носители в этой системе координат. И тут мы подходим к главному! Возникающие силы являются результатом не непосредственного влияния, а взаимодействия через среду, которая качественно изменилась. Пространство, в котором и происходят подобные изменения, и называется электрическим полем.

Особенности

Заряд, расположенный в электрическом поле, двигается в направлении силы, что действует на него. Является ли возможным достижение состояния покоя? Да, это вполне реально. Но для этого силу электрического поля должно уравновешивать какое-то иное влияние. Как только происходит нарушение равновесия, заряд снова начинает двигаться. Направление в данном случае будет зависеть от большей силы. Хотя если их много – конечный результат будет чем-то сбалансированным и универсальным. Чтобы лучше представлять, с чем приходится работать, изображают силовые линии. Их направления соответствуют действующим силам. Следует отметить, что силовые линии обладают и началом, и концом. Иными словами, они не замыкаются на себе. Начинаются они на положительно заряженных телах, а заканчиваются на отрицательных. Это не всё, более детально о силовых линиях, их теоретической подоплеке и практической реализации мы поговорим немного дальше по тексту и рассмотрим их вместе с законом Кулона.

Напряженность электрического поля

Эта характеристика используется для того, чтобы количественно определить электрическое поле. Это довольно сложно для понимания. Эта характеристика электрического поля (напряженность) является физической величиной, равной отношению силы действия на положительный пробный заряд, что размещен в определённой точке пространства, к его величине. Тут есть один особенный аспект. Эта физическая величина является векторной. Её направление совпадает с направлением силы, которая действует на положительный пробный заряд. Также следует ответить на один весьма распространённый вопрос и отметить, что силовой характеристикой электрического поля является именно напряженность. А что происходит с неподвижными и не меняющимися субъектами? Их электрическое поле считается электростатическим. При работе с точечным зарядом и исследовании напряженности интерес предоставляют силовые линии и закон Кулона. Какие особенности здесь существуют?

Закон Кулона и силовые линии

Силовая характеристика электрического поля в этом случае работает только для точечного заряда, что находится на расстоянии определённого радиуса от него. А если взять это значение по модулю, то у нас будет кулоновское поле. В нём направление вектора напрямую зависит от знака заряда. Так, если он является плюсовым, то поле будет «передвигаться» по радиусу. В противоположной ситуации вектор будет направлен непосредственно к самому заряду. Для наглядного понимания того, что и как происходит, можно найти и ознакомиться с рисунками, где изображены силовые линии. Основные характеристики электрического поля в учебниках хотя и довольно сложно объясняются, но рисунки, следует им отдать должное, в них качественные. Правда следует отметить такую особенность книг: при построении рисунков силовых линий их густота является пропорциональной модулю вектора напряженности. Эта небольшая подсказка, которая может оказать очень существенную помощь при контроле знаний или экзамене.

Видео: Физика: подготовка к ЕГЭ. Электростатика

Потенциал

Заряд всегда движется, когда нет уравновешивания сил. Это говорит нам о том, что в таком случае электрическое поле обладает потенциальной энергией. Иными словами – оно может совершать какую-то работу. Давайте рассмотрим небольшой пример. Электрическое поле переместило заряд из точки А в Б. Как результат, наблюдается уменьшение потенциальной энергии поля. Это происходит из-за того, что была совершена работа. Эта силовая характеристика электрического поля не изменится, если перемещение было совершено под сторонним влиянием. В таком случае потенциальная энергия будет не уменьшаться, а увеличиваться. Причем данная физическая характеристика электрического поля изменится прямо пропорционально приложенной сторонней силе, что переместила заряд в электрическом поле. Следует отметить, что в этом случае вся совершаемая работа будет израсходована на увеличение потенциальной энергии. Для понимания темы давайте разберём следующий пример. Итак, у нас есть положительный заряд. Он расположен за пределами электрического поля, что рассматривается. Благодаря этому воздействие настолько мало, что его можно проигнорировать. Возникает сторонняя сила, что вносит заряд в электрическое поле. Ею же совершается работа, необходимая для перемещения. При этом преодолеваются силы поля. Таким образом, возникает потенциал действий, но уже в самом электрическом поле. Следует отметить, что это может быть неоднородный показатель. Так, энергия, что относится к каждой конкретной единице положительного заряда, называется потенциалом поля в этой точке. Он численно равен работе, которая была совершена сторонней силой для перемещения субъекта к данному месту. Потенциал поля измеряют в вольтах.

Напряжение

В любом электрическом поле можно наблюдать, как положительные заряды «мигрируют» от точек с высоким потенциалом к тем, что имеют низкие показатели данного параметра. Отрицательные следуют по этому пути в обратном направлении. Но в обоих случаях это происходит только благодаря наличию потенциальной энергии. Из неё высчитывается напряжение. Для этого необходимо знать величину, на которую стала меньшей потенциальная энергия поля. Напряжение же численно равно работе, которая была совершена для переноса положительного заряда между двумя конкретными точками. Из этого можно заметить интересное соответствие. Так, напряжение и разность потенциалов в данном случае являются одной и той же физической сущностью.

Суперпозиция электрических полей

Итак, нами были рассмотрены основные характеристики электрического поля. Но чтобы лучше разбираться в теме, предлагаем дополнительно рассмотреть ещё ряд параметров, которые могут иметь важность. И начнём мы с суперпозиции электрических полей. Ранее нами рассматривались ситуации, по условию которых был только один определённый заряд. Но ведь в полях их огромное количество! Поэтому, рассматривая приближенную к реальности ситуацию, давайте представим, что у нас есть несколько зарядов. Тогда выходит, что на пробный субъект будут действовать силы, которые подчиняются правилу сложения векторов. Также принцип суперпозиции говорит о том, что сложное движение поддаётся разделению на два или большее количество простых. Разрабатывать реалистическую модель движения невозможно без учета суперпозиции. Иными словами, на рассматриваемую нами частицу в существующих условиях влияют различные заряды, каждый из которых имеет своё электрическое поле.

Использование

Следует отметить, что сейчас возможности электрического поля используются не на полную силу. Даже, правильней сказать, его потенциал нами почти не применяется. В качестве практической реализации возможностей электрического поля можно привести люстру Чижевского. Ранее, в середине прошлого столетия, человечество начало осваивать космос. Но перед учеными стояло много нерешенных вопросов. Один из них – это воздух и вредоносные его компоненты. За решение этой проблемы взялся советский ученый Чижевский, которого одновременно интересовала энергетическая характеристика электрического поля. И следует отметить, что у него получилось действительно хорошая разработка. В основу этого прибора была положена техника создания аэроионных потоков воздуха благодаря небольшим разрядам. Но в рамках статьи нас интересует не столько само устройство, как принцип его работы. Дело в том, что для функционирования люстры Чижевского использовался не стационарный источник питания, а именно электрическое поле! Для концентрации энергии использовались специальные конденсаторы. Значительно на успешность работы прибора влияла энергетическая характеристика электрического поля окружающей обстановки. То есть это устройство разрабатывалось специально для космических кораблей, которые буквально напичканы электроникой. Питалось же оно от результатов деятельности других приборов, подключенных к постоянным источникам питания. Следует отметить, что направление не было заброшено, и возможность брать энергию от электрического поля исследуется и сейчас. Правда, необходимо отметить, что значительных успехов пока что достичь не удалось. Также необходимо отметить и относительно небольшую масштабность проводимых исследований, и то, что большую часть их при этом выполняют изобретатели-добровольцы.

На что влияют характеристики электрических полей?

Зачем необходимо их изучать? Как уже говорилось ранее, характеристиками электрического поля являются напряженность, напряжение и потенциал. В жизни обычного рядового человека эти параметры не могут похвастаться значительным влиянием. Но когда возникают вопросы о том, что следует сделать что-то крупное и сложное, то не учитывать их – непозволительная роскошь. Дело в том, что излишнее количество электронных полей (или их чрезмерная сила) приводит к тому, что возникают помехи при передаче сигналов техникой. Это ведёт к искажению передаваемой информации. Следует отметить, что это не единственная проблема данного типа. Кроме белых шумов техники, излишне сильные электронные поля могут негативно влиять и на работу человеческого организма. Следует отметить, что небольшая ионизация помещения всё же считается благом, поскольку способствует оседанию пыли на поверхностях человеческого жилища. Но если посмотреть, сколько всевозможной техники (холодильники, телевизоры, бойлеры, телефоны, системы электроэнергии и так далее) есть в наших домах, то можно сделать вывод, что это, увы, не полезно для нашего здоровья. Следует отметить, что невысокие характеристики электрических полей нам почти не вредят, поскольку к космическому излучению человечество уже давно привыкло. Но вот относительно электроники так сложно сказать. Конечно, отказаться от всего этого не получится, но можно успешно минимизировать негативное влияние электрических полей на человеческий организм. Для этого, кстати, достаточно применять принципы энергетически эффективного использования техники, которые предусматривают минимизацию времени работы механизмов.

Заключение

Мы рассмотрели, какая физическая величина является характеристикой электрического поля, где что используется, каков потенциал разработок и применение их в повседневной жизни. Но всё же хочется добавить немного заключительных слов о рассмотренной теме. Следует отметить, что ими интересовалось достаточно большое количество людей. Один из наиболее заметных следов в истории оставил известный сербский изобретатель Николай Тесла. Ему в этом удалось достичь немалых успехов относительно реализации задуманного, но, увы, не в плане энергетической эффективности. Поэтому, если есть желание поработать в этом направлении – неоткрытых возможностей очень много.