Základné vlastnosti elektrického poľa a jeho charakteristiky: intenzita, potenciál, indukcia

Elektrické pole sa nazýva hmota, ktorá v ňom zabezpečuje interakciu elektrických nábojov. Môže byť generovaný ako elektrickým nábojom, tak aj meniacim sa magnetickým tokom. V prvom prípade sa to nazýva elektrostatické, v druhom - vír. Bez tohto poľa nemôže vzniknúť elektrický prúd, ale aby sme vedeli, ako vzniká, mali by sme sa oboznámiť so základnými charakteristikami elektrického poľa.

Povaha javu

Nie je možné vidieť elektrické pole očami: možno ho zistiť pôsobením na nabité telá. V tomto prípade takýto účinok nevyžaduje priamy kontakt potenciálnych nosičov, ale má silový charakter. Zelektrizované vlasy tak budú priťahované k iným predmetom.

Pozorovanie elektrických polí ukazuje, že fungujú podobne ako gravitačné. Popisuje to Coulombov zákon, ktorý vo všeobecnosti vyzerá takto:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,

kde q₁ a q₂ sú hodnoty nábojov v coulombách, ε je dielektrická konštanta média, ε₀ je elektrická konštanta, rovná sa 8,854 * 10⁻¹² F / m, r je vzdialenosť medzi nábojmi v metroch a F je sila, s ktorou náboje interagujú, v newtonov.

Teda čím ďalej od stredu, tým menej bude cítiť efekt poľa.

Pole môžete zobraziť graficky vo forme siločiar. Ich umiestnenie bude závisieť od geometrie média. Existujú dva typy polí:

1. Homogénne, keď sú siločiary navzájom rovnobežné. Ideálnym prípadom sú nekonečné paralelne nabité platne.
2. Nehomogénny, ktorého špeciálnym prípadom je pole okolo bodového alebo guľového náboja; jeho siločiary sa rozchádzajú radiálne od stredu, ak je kladný, a do stredu, ak je záporný.

Siločiary elektrického poľa indukované elektrickým nábojom nie sú uzavreté. Uzavreté sú len vo vírivom poli, ktoré sa vytvára okolo meniaceho sa magnetického toku.

Toto sú základné vlastnosti elektrického poľa. Aby sme sa zoznámili s jeho charakteristikami, stojí za to zvážiť najjednoduchšiu možnosť - elektrostatickú, ktorá je tvorená konštantnými a stacionárnymi nábojmi. Pre pohodlie budú bodové, aby ich obrysy nekomplikovali výpočty. Bodový a nekonečne malý bude aj testovací náboj, ktorý sa tiež objaví v budúcnosti.

Hlavné charakteristiky

Môžu byť opísané pomocou matematických vzorov a niektoré môžu byť vyjadrené graficky. Posledné charakteristiky sú vektorové, to znamená, že majú smer. To je dôležité, pretože pri riešení praktických problémov je často potrebné pracovať nie s veľkosťou veľkosti, ale s priemetom vektora na niektorú zvolenú os.

Hlavné parametre poľa sú:

1. napätie;
2. potenciál;
3. indukcia.

Sila poľa

Toto je sila charakteristická pre elektrické pole. Veličina je vektorová a charakterizuje silu, ktorou pole pôsobí na náboj v určitom bode. Matematicky je to vyjadrené takto:

Ē = F̄ / q.

Ak tu dosadíme vzorec pre Coulombov zákon, dostaneme:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

V každom bode poľa je teda jeho sila iná a závisí od náboja, ktorý vytvára, podmienok prostredia a hodnoty nepriamo úmernej druhej mocnine vzdialenosti k bodu.

Ak je pole vytvorené dvoma nábojmi, potom sa výsledná sila vypočíta graficky - sčítaním vektorov sily z každého jednotlivého zdroja. Táto metóda sa nazýva princíp superpozície.

Potenciály a ich rozdiel

Elektrické pole je schopné vykonávať prácu. Ak sa skúšobný náboj presunie v teréne, práca sa vykoná e-mailom. pole, bude závisieť od počiatočnej a konečnej vzdialenosti od skúšobného poplatku do stredu e-mailu. poliach. Dá sa to prirovnať k človeku, ktorý sa chystá skočiť zo strechy. Keď je vo výške desiateho poschodia, jeho potenciálna energia sa bude rovnať:

W = -GMm/Rr.

Alebo ak vezmeme do úvahy proporcionalitu pôdy a človeka:

W = mgh.

Kým človek neskočil, má potenciálnu energiu. Keď konečne padne, gravitačné pole vykoná prácu, ktorá sa číselne rovná vyššie uvedenej hodnote. Toto nezohľadňuje horizontálny pohyb - túto prácu vykonal sám zosnulý.

Elektrické pole funguje podobným spôsobom. Skúšobný náboj q₁, ktorý je v ňom umiestnený, má potenciálnu energiu:

W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.

Pri presune do iného bodu, keď je vzdialenosť r iná, pole vykoná prácu rovnajúcu sa:

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

Ak z oboch výrazov vyberieme parameter, ktorý sa vzťahuje priamo na pole a nie na testovací náboj, bude to vyzerať takto:

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

A toto φ sa nazýva potenciál poľa v bode. Na základe všetkých vzorcov napísaných vyššie môžete túto hodnotu vyjadriť takto:

φ₁ = W1/q1; φ₂ = W2/q₁.

Práca, ktorú pole vykoná, bude teda vyjadrená takto:

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

Výraz v zátvorkách sa bude nazývať rozdiel potenciálov alebo napätie. Ukazuje, akú prácu vykoná pole, aby posunulo testovací náboj.

A / q = (φ₁ – φ₂).

Jednotka tejto hodnoty, J / Kl, bola pomenovaná Volt na počesť vedca Alessandra Voltu. Z tejto jednotky sa meria rozmer ostatných veličín v elektrostatike a elektrodynamike. Napríklad sila poľa sa meria vo V / m.

Elektrická indukcia

Táto hodnota charakterizuje elektrické pole, ako sa hovorí, v jeho čistej forme. V skutočnosti máme do činenia s poľom v rôznych médiách s určitou dielektrickou konštantou. Napriek tomu, že pre väčšinu látok ide o tabuľkovú hodnotu, v niektorých prípadoch nie je konštantná a jej závislosť od parametrov prostredia (teplota, vlhkosť atď.) ) je nelineárny.

Tento jav je typický pre Rochellovu soľ, titaničitan bárnatý, niobitan lítny a mnohé ďalšie.

Elektrická indukcia sa meria v C / m2 a jej hodnota je vyjadrená vzorcom:

D = ε e E.

Toto je tiež vektorová veličina, ktorej smer sa zhoduje so smerom napätia.

Statické a vírové pole

Ako bolo spomenuté na začiatku tohto článku, elektrické pole sa môže vyskytnúť okolo striedavého magnetického poľa. Dokonca vytvára prúd, ktorý možno dosiahnuť dvoma spôsobmi:

• zmena intenzity magnetického poľa prechádzajúceho cez obrys vodiča v ňom;
• zmenou polohy samotného vodiča.

V tomto prípade nemusí byť vodič vôbec uzavretý - prúd v ňom bude stále prúdiť.

Na ilustráciu rozdielov medzi statickými a vortexovými poľami je možné zostaviť tabuľku.

Parameter	Elektrostatický	Vortex
tvar siločiary	otvorené	zatvorené
čo je vytvorené	stacionárny náboj	premenlivý magnetický tok
zdroj napätia	poplatok	neprítomný
pohybová práca s uzavretou slučkou	nula	vytvára EMF indukcie

To neznamená, že prvé a druhé pole nie sú nijako prepojené. To nie je pravda. V skutočnosti funguje nasledujúci vzorec: stacionárny náboj vytvára elektrostatické pole, ktoré pohybuje nábojom vo vodiči; pohybujúci sa náboj vytvára konštantné magnetické pole. Ak sa náboj pohybuje premenlivou rýchlosťou a smerom, potom sa magnetické pole stáva premenlivým a vytvára sekundárne elektrické pole. Elektrické pole a jeho charakteristiky teda ovplyvňujú možnosť výskytu magnetického poľa a jeho parametre.