Als Materie wird ein elektrisches Feld bezeichnet, das die Wechselwirkung der elektrischen Ladungen darin gewährleistet. Es kann sowohl durch eine elektrische Ladung als auch durch einen sich ändernden magnetischen Fluss erzeugt werden. Im ersten Fall heißt es elektrostatisch, im zweiten - Wirbel. Ohne dieses Feld kann kein elektrischer Strom entstehen, aber um zu wissen, wie er entsteht, sollte man sich mit den Grundeigenschaften des elektrischen Feldes vertraut machen.
Inhalt
- Die Natur des Phänomens
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Hauptmerkmale
- Feldstärke
- Potenziale und ihr Unterschied
- Elektrische Induktion
- Statisches und Wirbelfeld
Die Natur des Phänomens
Es ist unmöglich, das elektrische Feld mit den Augen zu sehen: Es kann durch seine Wirkung auf geladene Körper erkannt werden. Dabei erfordert ein solcher Effekt keinen direkten Kontakt der Potentialträger, sondern hat Kraftcharakter. Auf diese Weise werden elektrifizierte Haare zu anderen Objekten gezogen.
Die Beobachtung elektrischer Felder zeigt, dass sie ähnlich wie gravitative arbeiten. Dies wird durch das Coulombsche Gesetz beschrieben, das im Allgemeinen so aussieht:
F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,
wobei q₁ und q₂ die Werte der Ladungen in Coulomb sind, ε die Dielektrizitätskonstante des Mediums ist, ε₀ die elektrische Konstante ist, gleich 8,854 * 10⁻¹² F / m, r ist der Abstand zwischen den Ladungen in Metern und F ist die Kraft, mit der die Ladungen interagieren, in Newton.
Je weiter von der Mitte entfernt, desto geringer ist die Wirkung des Feldes.
Sie können das Feld grafisch in Form von Kraftlinien darstellen. Ihre Position hängt von der Geometrie des Mediums ab. Es gibt zwei Arten von Feldern:
- Homogen, wenn die Kraftlinien parallel zueinander sind. Der Idealfall sind unendlich parallel geladene Platten.
- Inhomogen, ein Sonderfall ist das Feld um einen Punkt oder eine kugelförmige Ladung; seine Kraftlinien divergieren radial vom Zentrum, wenn er positiv ist, und zum Zentrum, wenn er negativ ist.
Die Kraftlinien des durch die elektrische Ladung induzierten elektrischen Feldes sind nicht geschlossen. Sie sind nur im Wirbelfeld geschlossen, das sich um den sich ändernden magnetischen Fluss bildet.
Dies sind die grundlegenden Eigenschaften eines elektrischen Feldes. Um sich mit seinen Eigenschaften vertraut zu machen, lohnt es sich, die einfachste Option in Betracht zu ziehen - elektrostatisch, die durch konstante und stationäre Ladungen gebildet wird. Der Einfachheit halber sind sie punktförmig, damit ihre Konturen die Berechnungen nicht erschweren. Auch die künftig erscheinende Testladung wird punktförmig und unendlich klein sein.
Hauptmerkmale
Sie können mit mathematischen Mustern beschrieben werden, und einige können grafisch ausgedrückt werden. Letztere Eigenschaften sind vektoriell, dh sie haben eine Richtung. Dies ist wichtig, da bei der Lösung praktischer Probleme oft nicht mit der Größe der Größe, sondern mit der Projektion des Vektors auf eine gewählte Achse gearbeitet werden muss.
Die wichtigsten Parameter des Feldes sind:
- Spannung;
- Potenzial;
- Induktion.
Feldstärke
Dies ist die charakteristische Stärke des elektrischen Feldes. Die Größe ist ein Vektor und charakterisiert die Kraft, mit der das Feld an einem bestimmten Punkt auf die Ladung einwirkt. Mathematisch wird dies wie folgt ausgedrückt:
= F̄ / q.
Wenn wir hier die Formel für das Coulombsche Gesetz einsetzen, erhalten wir:
= q₀ / 4 π ε ε₀ r².
Daher ist seine Stärke an jedem Punkt des Feldes unterschiedlich und hängt von der Ladung ab, die es erzeugt, den Bedingungen der Umgebung und dem Wert, der umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zum Punkt ist.
Wird das Feld durch zwei Ladungen erzeugt, wird die resultierende Stärke grafisch berechnet - durch Addition der Stärkevektoren jeder einzelnen Quelle. Diese Methode wird als Superpositionsprinzip bezeichnet.
Potenziale und ihr Unterschied
Ein elektrisches Feld kann Arbeit verrichten. Wenn die Testladung ins Feld bewegt wird, dann wird die Arbeit per E-Mail erledigt. Feld, hängt von der Anfangs- und Endentfernung von der Testladung bis zur Mitte der E-Mail ab. Felder. Dies kann mit einer Person verglichen werden, die kurz davor steht, von einem Dach zu springen. Während er sich auf der Höhe des zehnten Stockwerks befindet, beträgt seine potentielle Energie:
W = -GMm / Rr.
Oder wenn wir die Verhältnismäßigkeit von Land und Mensch berücksichtigen:
W = mgh.
Bis ein Mensch gesprungen ist, hat er potentielle Energie. Wenn es schließlich fällt, wird das Gravitationsfeld Arbeit verrichten, die numerisch gleich dem obigen Wert ist. Dabei wird die horizontale Bewegung nicht berücksichtigt - diese Arbeit wurde vom Verstorbenen selbst durchgeführt.
Ein elektrisches Feld funktioniert ähnlich. Die darin platzierte Testladung q₁ hat potentielle Energie:
W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.
Wenn Sie sich zu einem anderen Punkt bewegen, wenn der Abstand r unterschiedlich ist, verrichtet das Feld Arbeit wie:
A = W₁ - W₂ = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₁ - q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
Wenn wir aus beiden Begriffen einen Parameter auswählen, der sich direkt auf das Feld bezieht und nicht auf die Testladung, sieht das so aus:
φ₁ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
Und dieses φ wird Feldpotential an einem Punkt genannt. Basierend auf allen oben geschriebenen Formeln können Sie diesen Wert wie folgt ausdrücken:
φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.
Somit wird die Arbeit, die das Feld leisten wird, wie folgt ausgedrückt:
A = W₁ - W₂ = φ₁ q₁ - φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ - φ₂).
Der Ausdruck in Klammern wird als Potentialdifferenz oder Spannung bezeichnet. Es zeigt an, welche Arbeit das Feld ausführen wird, um die Testladung zu bewegen.
A / q = (φ₁ - φ₂).
Die Einheit dieses Wertes, J / Kl, wurde zu Ehren des Wissenschaftlers Alessandro Volta Volt genannt. Aus dieser Einheit wird die Dimension anderer Größen der Elektrostatik und Elektrodynamik gemessen. Die Feldstärke wird beispielsweise in V/m gemessen.
Elektrische Induktion
Dieser Wert charakterisiert das elektrische Feld sozusagen in seiner reinen Form. In Wirklichkeit haben wir es mit einem Feld in verschiedenen Medien mit einer bestimmten Dielektrizitätskonstante zu tun. Trotz der Tatsache, dass dies für die meisten Stoffe ein Tabellenwert ist, ist er in einigen Fällen instabil und seine Abhängigkeit von Umweltparametern (Temperatur, Feuchtigkeit usw.) ) ist nichtlinear.
Dieses Phänomen ist typisch für Rochelle-Salz, Bariumtitanat, Lithiumniobat und eine Reihe anderer.
Die elektrische Induktion wird in C / m2 gemessen und ihr Wert wird durch die Formel ausgedrückt:
D = ε ε₀ E.
Auch dies ist eine Vektorgröße, deren Richtung mit der Zugrichtung übereinstimmt.
Statisches und Wirbelfeld
Wie am Anfang dieses Artikels erwähnt, kann um ein magnetisches Wechselfeld ein elektrisches Feld auftreten. Es erzeugt sogar einen Strom, der auf zwei Arten erreicht werden kann:
- eine Änderung der Intensität des Magnetfelds, das durch die Kontur des Leiters darin verläuft;
- indem Sie die Position des Leiters selbst ändern.
In diesem Fall muss der Leiter überhaupt nicht geschlossen werden - der Strom fließt immer noch darin.
Um die Unterschiede zwischen statischen und Wirbelfeldern zu veranschaulichen, kann eine Tabelle erstellt werden.
| Parameter | Elektrostatisch | Wirbel |
| Feldlinienform | offen | abgeschlossen |
| was entsteht | stationäre Ladung | variabler magnetischer Fluss |
| Spannungsquelle | aufladen | abwesend |
| Bewegungsarbeit mit geschlossenem Regelkreis | Null | erzeugt EMF der Induktion |
Dies soll nicht heißen, dass das erste und das zweite Feld in keiner Weise verbunden sind. Es ist nicht so. In Wirklichkeit funktioniert das folgende Muster: Eine stationäre Ladung erzeugt ein elektrostatisches Feld, das die Ladung im Leiter bewegt; Eine sich bewegende Ladung erzeugt ein konstantes Magnetfeld. Wenn sich die Ladung mit variabler Geschwindigkeit und Richtung bewegt, wird das Magnetfeld variabel und erzeugt ein sekundäres elektrisches. Somit beeinflussen das elektrische Feld und seine Eigenschaften die Möglichkeit des Auftretens eines magnetischen Feldes und seine Parameter.
