Властивості та основні характеристики електричних полів

Властивості та основні характеристики електричних полів


Властивості і характеристики електричного поля вивчають майже всі технічні фахівці. Але університетський курс часто буває написаний складною і незрозумілою мовою. Тому в рамках статті доступно будуть описані характеристики електричних полів, щоб у них могла розібратися кожна людина. Крім цього, окрему увагу ми приділимо взаємопов'язаним поняттям (суперпозиція) і можливостям розвитку даної сфери фізики.

Загальна інформація

Згідно з сучасними уявленнями, електричні заряди між собою не взаємодіють безпосередньо. З цього випливає цікава особливість. Так, кожне заряджене тіло має своє електричне поле в навколишньому просторі. Воно впливає на інші суб'єкти. Характеристики електричних полів становлять для нас той інтерес, що вони показують вплив поля на електричні заряди і силу, з якою воно здійснюється. Який з цього можна зробити висновок? Заряджені тіла не мають жодного безпосереднього впливу. Для цього використовуються електричні поля. Як їх можна дослідити? Для цього можна скористатися пробним зарядом - невеликим точковим пучком частинок, що не матиме помітного впливу на сформовану структуру. Так які величини є характеристиками електричного поля? Всього їх три: напруженість, напруга і потенціал. Кожна з них має свої особливості та сфери впливу на частинки.

Електричне поле: що це таке?

Але перш ніж переходити до основного предмета статті, необхідно мати певний багаж знань. Якщо вони є, то цю частину можна впевнено пропустити. Спочатку розгляньмо питання причини існування електричного поля. Для того щоб воно було, необхідний заряд. Причому властивості простору, в якому перебуває заряджене тіло, має відрізнятися від тих, де його немає. Тут є така особливість: якщо в певну систему координат помістити заряд, то зміни відбудуться не миттєво, а тільки з певною швидкістю. Вони будуть, подібно до хвиль, поширюватися в просторі. Це буде супроводжуватися появою механічних сил, що діють на інші носії в цій системі координат. І тут ми підходимо до головного! Виникаючі сили є результатом не безпосереднього впливу, а взаємодії через середовище, яка якісно змінилася. Простір, в якому і відбуваються подібні зміни, і називається електричним полем.

Особливості

Заряд, розташований в електричному полі, рухається в напрямку сили, що діє на нього. Чи можливе досягнення стану спокою? Так, це цілком реально. Але для цього силу електричного поля має врівноважувати якийсь інший вплив. Як тільки відбувається порушення рівноваги, заряд знову починає рухатися. Напрямок в даному випадку буде залежати від більшої сили. Хоча якщо їх багато - кінцевий результат буде чимось збалансованим і універсальним. Щоб краще уявляти, з чим доводиться працювати, зображують силові лінії. Їх напрямки відповідають чинним силам. Слід зазначити, що силові лінії мають і початок, і кінець кінцем. Іншими словами, вони не замикаються на собі. Починаються вони на позитивно заряджених тілах, а закінчуються на негативних. Це не все, більш детально про силові лінії, їх теоретичне підґрунтя і практичну реалізацію ми поговоримо трохи далі по тексту і розглянемо їх разом із законом Кулона.

Напруження електричного поля

Ця характеристика використовується для того, щоб кількісно визначити електричне поле. Це досить складно для розуміння. Ця характеристика електричного поля (напруженість) є фізичною величиною, рівною відношенню сили дії на позитивний пробний заряд, що розміщений в певній точці простору, до його величини. Тут є один особливий аспект. Ця фізична величина є векторною. Її напрямок збігається з напрямком сили, яка діє на позитивний пробний заряд. Також слід відповісти на одне досить поширене питання і зазначити, що силовою характеристикою електричного поля є саме напруженість. А що відбувається з нерухомими суб'єктами, які не змінюються? Їхнє електричне поле вважається електростатичним. При роботі з точковим зарядом і дослідженні напруженості інтерес надають силові лінії і закон Кулона. Які особливості тут існують?

Закон Кулона і силові лінії

Силова характеристика електричного поля в цьому випадку працює тільки для точкового заряду, що знаходиться на відстані певного радіусу від нього. А якщо взяти це значення за модулем, то у нас буде кулонівське поле. У ньому напрямок вектора безпосередньо залежить від знака заряду. Так, якщо він є плюсовим, то поле буде «пересуватися» по радіусу. У протилежній ситуації вектор буде спрямований безпосередньо до самого заряду. Для наочного розуміння того, що і як відбувається, можна знайти і ознайомитися з малюнками, де зображені силові лінії. Основні характеристики електричного поля в підручниках хоча і досить складно пояснюються, але малюнки, слід їм віддати належне, в них якісні. Правда слід зазначити таку особливість книг: при побудові малюнків силових ліній їх густота є пропорційною модулю вектора напруженості. Ця невелика підказка, яка може надати дуже суттєву допомогу при контролі знань або іспиті.

Потенціал

Заряд завжди рухається, коли немає врівноваження сил. Це говорить нам про те, що в такому випадку електричне поле володіє потенційною енергією. Іншими словами - воно може здійснювати якусь роботу. Розгляньмо приклад. Електричне поле перемістило заряд з точки А в Б. Як результат, спостерігається зменшення потенційної енергії поля. Це відбувається через те, що була здійснена робота. Ця силова характеристика електричного поля не зміниться, якщо переміщення було здійснено під стороннім впливом. У такому випадку потенційна енергія буде не зменшуватися, а збільшуватися. Причому дана фізична характеристика електричного поля зміниться прямо пропорційно докладеній сторонній силі, що перемістила заряд в електричному полі. Слід зазначити, що в цьому випадку вся здійснювана робота буде витрачена на збільшення потенційної енергії. Для розуміння теми давайте розберемо наступний приклад. Отже, у нас є позитивний заряд. Він розташований за межами електричного поля, що розглядається. Завдяки цьому вплив настільки мало, що його можна проігнорувати. Виникає стороння сила, що вносить заряд в електричне поле. Нею ж здійснюється робота, необхідна для переміщення. При цьому долаються сили поля. Таким чином, виникає потенціал дій, але вже в самому електричному полі. Слід зазначити, що це може бути неоднорідний показник. Так, енергія, що відноситься до кожної конкретної одиниці позитивного заряду, називається потенціалом поля в цій точці. Він чисельно дорівнює роботі, яка була здійснена сторонньою силою для переміщення суб'єкта до цього місця. Потенціал поля вимірюють у вольтах.

Напруга

У будь-якому електричному полі можна спостерігати, як позитивні заряди «мігрують» від точок з високим потенціалом до тих, що мають низькі показники даного параметра. Негативні йдуть цим шляхом у зворотному напрямку. Але в обох випадках це відбувається тільки завдяки наявності потенційної енергії. З неї вираховується напруга. Для цього необхідно знати величину, на яку стала меншою потенційна енергія поля. Напруга ж чисельно дорівнює роботі, яка була здійснена для перенесення позитивного заряду між двома конкретними точками. З цього можна помітити цікаву відповідність. Так, напруга і різність потенціалів в даному випадку є однією і тією ж фізичною сутністю.

Суперпозиція електричних полів

Отже, нами були розглянуті основні характеристики електричного поля. Але щоб краще розбиратися в темі, пропонуємо додатково розглянути ще ряд параметрів, які можуть мати важливість. І почнемо ми з суперпозиції електричних полів. Раніше нами розглядалися ситуації, за умовою яких був тільки один певний заряд. Але ж у полях їх величезна кількість! Тому, розглядаючи наближену до реальності ситуацію, давайте уявимо, що у нас є кілька зарядів. Тоді виходить, що на пробний суб'єкт будуть діяти сили, які підпорядковуються правилу складання векторів. Також принцип суперпозиції говорить про те, що складний рух піддається поділу на два або більшу кількість простих. Розробляти реалістичну модель руху неможливо без урахування суперпозиції. Іншими словами, на частинку, що розглядається нами, в існуючих умовах впливають різні заряди, кожен з яких має своє електричне поле.

Використання

Слід зазначити, що зараз можливості електричного поля використовуються не на повну силу. Навіть, правильніше сказати, його потенціал нами майже не застосовується. В якості практичної реалізації можливостей електричного поля можна привести люстру Чижевського. Раніше, в середині минулого століття, людство почало освоювати космос. Але перед вченими стояло багато невирішених питань. Один з них - це повітря і шкідливі його компоненти. За вирішення цієї проблеми взявся радянський вчений Чижевський, якого одночасно цікавила енергетична характеристика електричного поля. І слід зазначити, що у нього вийшло дійсно хороша розробка. В основу цього приладу була покладена техніка створення аероіонних потоків повітря завдяки невеликим розрядам. Але в рамках статті нас цікавить не стільки сам пристрій, як принцип його роботи. Справа в тому, що для функціонування люстри Чижевського використовувалося не стаціонарне джерело живлення, а саме електричне поле! Для концентрації енергії використовувалися спеціальні конденсатори. Значно на успішність роботи приладу впливала енергетична характеристика електричного поля навколишнього обстановки. Тобто цей пристрій розроблявся спеціально для космічних кораблів, які буквально напхані електронікою. Харчувалося ж воно від результатів діяльності інших приладів, підключених до постійних джерел живлення. Слід зазначити, що напрямок не було занедбано, і можливість брати енергію від електричного поля досліджується і зараз. Правда, необхідно відзначити, що значних успіхів поки що досягти не вдалося. Також необхідно відзначити і відносно невелику масштабність проведених досліджень, і те, що більшу частину їх при цьому виконують винахідники-добровольці.

На що впливають характеристики електричних полів?

Навіщо необхідно їх вивчати? Як вже говорилося раніше, характеристиками електричного поля є напруженість, напруга і потенціал. У житті звичайної пересічної людини ці параметри не можуть похвалитися значним впливом. Але коли виникають питання про те, що слід зробити щось велике і складне, то не враховувати їх - недозволена розкіш. Справа в тому, що зайва кількість електронних полів (або їх надмірна сила) призводить до того, що виникають перешкоди при передачі сигналів технікою. Це веде до спотворення інформації, що передається. Слід зазначити, що це не єдина проблема даного типу. Крім білих шумів техніки, надміру сильні електронні поля можуть негативно впливати і на роботу людського організму. Слід зазначити, що невелика іонізація приміщення все ж вважається благом, оскільки сприяє осіданню пилу на поверхнях людського житла. Але якщо подивитися, скільки всілякої техніки (холодильники, телевізори, бойлери, телефони, системи електроенергії і так далі) є в наших будинках, то можна зробити висновок, що це, на жаль, не корисно для нашого здоров'я. Слід зазначити, що невисокі характеристики електричних полів нам майже не шкодять, оскільки до космічного випромінювання людство вже давно звикло. Але ось відносно електроніки так складно сказати. Звичайно, відмовитися від усього цього не вийде, але можна успішно мінімізувати негативний вплив електричних полів на людський організм. Для цього, до речі, достатньо застосовувати принципи енергетично ефективного використання техніки, які передбачають мінімізацію часу роботи механізмів.

Ув'язнення

Ми розглянули, яка фізична величина є характеристикою електричного поля, де що використовується, який потенціал розробок і застосування їх у повсякденному житті. Але все ж хочеться додати трохи заключних слів про розглянуту тему. Слід зазначити, що ними цікавилася досить велика кількість людей. Один з найбільш помітних слідів в історії залишив відомий сербський винахідник Микола Тесла. Йому в цьому вдалося досягти чималих успіхів щодо реалізації задуманого, але, на жаль, не в плані енергетичної ефективності. Тому, якщо є бажання попрацювати в цьому напрямку - невідкритих можливостей дуже багато.



Матеріали по темі