Základní vlastnosti elektrického pole a jeho charakteristiky: intenzita, potenciál, indukce

Elektrické pole se nazývá hmota, která v něm zajišťuje interakci elektrických nábojů. Může být generován jak elektrickým nábojem, tak měnícím se magnetickým tokem. V prvním případě se nazývá elektrostatický, ve druhém - vír. Bez tohoto pole nemůže vzniknout elektrický proud, ale aby člověk věděl, jak vzniká, měl by se seznámit se základními charakteristikami elektrického pole.

Povaha jevu

Není možné vidět elektrické pole očima: lze ho detekovat jeho působením na nabitá tělesa. V tomto případě takový účinek nevyžaduje přímý kontakt potenciálních nosičů, ale má silovou povahu. Zelektrizované vlasy tak budou přitahovány k jiným objektům.

Pozorování elektrických polí ukazuje, že fungují podobně jako gravitační. To je popsáno Coulombovým zákonem, který obecně vypadá takto:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

kde q₁ a q₂ jsou hodnoty nábojů v coulombech, ε je dielektrická konstanta média, ε₀ je elektrická konstanta, rovná se 8,854 * 10⁻¹² F/m, r je vzdálenost mezi náboji v metrech a F je síla, se kterou náboje interagují, v newtonů.

Tedy čím dále od středu, tím méně bude účinek pole cítit.

Pole můžete zobrazit graficky ve formě siločar. Jejich umístění bude záviset na geometrii média. Existují dva typy polí:

1. Homogenní, když jsou siločáry navzájem rovnoběžné. Ideálním případem jsou nekonečné paralelně nabité desky.
2. Nehomogenní, jehož zvláštním případem je pole kolem bodového nebo kulového náboje; jeho siločáry se rozbíhají radiálně od středu, pokud je kladný, a ke středu, pokud je záporný.

Siločáry elektrického pole indukované elektrickým nábojem nejsou uzavřené. Jsou uzavřeny pouze ve vírovém poli, které se vytváří kolem měnícího se magnetického toku.

To jsou základní vlastnosti elektrického pole. Abychom se seznámili s jeho charakteristikami, stojí za to zvážit nejjednodušší možnost - elektrostatický, který je tvořen konstantními a stacionárními náboji. Pro pohodlí budou bodové, aby jejich obrysy nekomplikovaly výpočty. Bodový a nekonečně malý bude i testovací náboj, který se také v budoucnu objeví.

Hlavní charakteristiky

Lze je popsat pomocí matematických vzorů a některé lze vyjádřit graficky. Posledně uvedené charakteristiky jsou vektorové, to znamená, že mají směr. To je důležité, protože při řešení praktických problémů je často nutné pracovat ne s velikostí velikosti, ale s promítáním vektoru na nějakou zvolenou osu.

Hlavní parametry pole jsou:

1. napětí;
2. potenciál;
3. indukce.

Síla pole

To je pevnostní charakteristika elektrického pole. Veličina je vektorová a charakterizuje sílu, kterou pole působí na náboj v určitém bodě. Matematicky je to vyjádřeno takto:

Ē = F̄ / q.

Pokud zde dosadíme vzorec pro Coulombův zákon, dostaneme:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

V každém bodě pole je tedy jeho síla jiná a závisí na náboji, který vytváří, podmínkách prostředí a hodnotě nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti k bodu.

Pokud je pole vytvořeno dvěma náboji, pak se výsledná síla vypočítá graficky – sečtením vektorů síly z každého jednotlivého zdroje. Tato metoda se nazývá princip superpozice.

Potenciály a jejich rozdíl

Elektrické pole je schopno konat práci. Pokud se zkušební náboj posune v terénu, pak se práce provádí emailem. pole, bude záviset na počáteční a konečné vzdálenosti od zkušebního náboje do středu e-mailu. pole. To lze přirovnat k osobě, která se chystá skočit ze střechy. Zatímco je ve výšce desátého patra, jeho potenciální energie se bude rovnat:

W = -GMm / Rr.

Nebo pokud vezmeme v úvahu proporcionalitu půdy a člověka:

W = mgh.

Dokud člověk neskočil, má potenciální energii. Když konečně klesne, gravitační pole vykoná práci, číselně rovnou výše uvedené hodnotě. To nebere v úvahu horizontální pohyb – tuto práci provedl sám zesnulý.

Elektrické pole funguje podobným způsobem. Zkušební náboj q₁, který je v něm umístěn, má potenciální energii:

W = q₁q₀ / 4 πε ε₀r.

Při přesunu do jiného bodu, kdy je vzdálenost r jiná, pole vykoná práci rovnou:

A = W1 - W2 = q₁ q0 / 4 π ε ε₀ r₁ - q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

Pokud z obou pojmů vybereme parametr, který se vztahuje přímo na pole, a nikoli na zkušební náboj, bude to vypadat takto:

φ₁ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

A toto φ se nazývá potenciál pole v bodě. Na základě všech výše napsaných vzorců můžete tuto hodnotu vyjádřit následovně:

φ₁ = W1/q1; φ2 = W2 / ql.

Práce, kterou pole vykoná, bude tedy vyjádřena takto:

A = W1 - W2 = φ₁ q₁ - φ₂ q₁ = q₁ (φ1 - φ₂).

Výrazu v závorkách budeme říkat rozdíl potenciálů neboli napětí. Ukazuje, jakou práci pole vykoná, aby posunulo zkušební náboj.

A / q = (φ₁ – φ₂).

Jednotka této hodnoty, J/Kl, byla pojmenována Volt na počest vědce Alessandra Volty. Z této jednotky se měří rozměr ostatních veličin v elektrostatice a elektrodynamice. Například síla pole se měří ve V/m.

Elektrická indukce

Tato hodnota charakterizuje elektrické pole, jak se říká, v jeho čisté formě. Ve skutečnosti máme co do činění s polem v různých médiích s určitou dielektrickou konstantou. Přestože se u většiny látek jedná o tabulkovou hodnotu, v některých případech je nestabilní a její závislost na parametrech prostředí (teplota, vlhkost atd.) ) je nelineární.

Tento jev je typický pro Rochellovu sůl, titaničitan barnatý, niobitan lithný a řadu dalších.

Elektrická indukce se měří v C / m2 a její hodnota je vyjádřena vzorcem:

D = e e E.

To je také vektorová veličina, jejíž směr se shoduje se směrem napětí.

Statické a vírové pole

Jak bylo zmíněno na začátku tohoto článku, kolem střídavého magnetického pole se může vyskytovat elektrické pole. Dokonce vytváří proud, kterého lze dosáhnout dvěma způsoby:

• změna intenzity magnetického pole procházejícího obrysem vodiče v něm;
• změnou polohy samotného vodiče.

V tomto případě nemusí být vodič vůbec uzavřen - proud v něm stále poteče.

Pro ilustraci rozdílů mezi statickými a vortexovými poli lze sestavit tabulku.

Parametr	Elektrostatický	Vír
tvar siločáry	otevřeno	Zavřeno
co je vytvořeno	stacionární náboj	proměnný magnetický tok
zdroj napětí	nabít	nepřítomný
pohybová práce s uzavřenou smyčkou	nula	vytváří EMF indukce

Tím nechci říct, že první a druhé pole spolu nijak nesouvisí. To není pravda. Ve skutečnosti funguje následující vzorec: stacionární náboj vytváří elektrostatické pole, které pohybuje nábojem ve vodiči; pohybující se náboj vytváří konstantní magnetické pole. Pokud se náboj pohybuje proměnnou rychlostí a směrem, pak se magnetické pole stává proměnlivým a vytváří sekundární elektrické. Elektrické pole a jeho charakteristiky tedy ovlivňují možnost výskytu magnetického pole a jeho parametry.