Caracteristicile câmpului electric

Articolul descrie principalele caracteristici ale câmpului electric: potențial, tensiune și intensitate.

Ce este un câmp electric

Pentru a crea un câmp electric, este necesar să se creeze o sarcină electrică. Proprietățile spațiului din jurul sarcinilor (corpurile încărcate) diferă de proprietățile spațiului în care nu există sarcini. În același timp, proprietățile spațiului, atunci când o sarcină electrică este introdusă în el, nu se schimbă instantaneu: schimbarea pornește de la sarcină și se răspândește cu o anumită viteză dintr-un punct în spațiu în altul.

Într-un spațiu care conține o sarcină se manifestă forțe mecanice care acționează asupra altor sarcini introduse în acel spațiu. Aceste forțe nu sunt rezultatul acțiunii directe a unei sarcini asupra alteia, ci al acțiunii printr-un mediu modificat calitativ.

Spatiul din jurul sarcinilor electrice, in care se manifesta fortele care actioneaza asupra sarcinilor electrice introduse in acesta, se numeste camp electric.

O sarcină dintr-un câmp electric se mișcă în direcția forței care acționează asupra acesteia din partea câmpului.Starea de repaus a unei astfel de sarcini este posibilă numai atunci când o forță externă (externă) este aplicată sarcinii care echilibrează puterea câmpului electric.

De îndată ce echilibrul dintre forța externă și intensitatea câmpului este perturbat, sarcina începe din nou să se miște. Direcția mișcării sale coincide întotdeauna cu direcția forței mai mari.

Pentru claritate, câmpul electric este de obicei reprezentat de așa-numitele linii de câmp electric. Aceste linii coincid cu direcția forțelor care acționează în câmpul electric. În același timp, s-a convenit să se traseze atât de multe linii încât numărul lor pentru fiecare 1 cm2 din suprafața instalată perpendicular pe linii să fie proporțional cu puterea câmpului în punctul corespunzător.

Direcția câmpului este de obicei considerată a fi direcția intensității câmpului care acționează asupra unei sarcini pozitive plasate într-un anumit câmp. Sarcinile pozitive sunt respinse de sarcinile pozitive și atrase de sarcinile negative. Prin urmare, câmpul este direcționat de la sarcini pozitive la sarcini negative.

Direcția liniilor de forță este indicată în desene prin săgeți. Știința a dovedit că liniile de forță ale unui câmp electric au un început și un sfârșit, adică nu sunt închise de la sine. Pe baza direcției presupuse a câmpului, constatăm că liniile de forță încep cu sarcini pozitive (corpuri încărcate pozitiv) și se termină cu cele negative.

Orez. 1. Exemple de imagine a unui câmp electric folosind linii de forță: a — un câmp electric cu o singură sarcină pozitivă, b — un câmp electric cu o singură sarcină negativă, c — un câmp electric cu două sarcini opuse, d — an câmp electric de două sarcini asemănătoare

În fig.1 prezintă exemple de câmp electric reprezentat folosind linii de forță. Trebuie amintit că liniile de câmp electric sunt doar o modalitate de a reprezenta grafic un câmp. Nu există o substanță mai mare a conceptului de linie de forță aici.

legea lui Coulomb

Puterea interacțiunii dintre două sarcini depinde de mărimea și dispunerea reciprocă a sarcinilor, precum și de proprietățile fizice ale mediului lor.

Pentru două corpuri fizice electrificate, ale căror dimensiuni sunt nesemnificative în comparație cu distanța dintre corpuri, vindecarea interacțiunii este determinată matematic după cum urmează:

unde F este forța de interacțiune a sarcinilor în newtoni (N), k — distanța dintre sarcini în metri (m), Q1 și Q2 — mărimea sarcinilor electrice în coulombs (k), k este coeficientul de proporționalitate, a cărui valoare depinde de proprietățile mediului care înconjoară sarcinile.

Formula de mai sus arată astfel: forța de interacțiune dintre două sarcini punctuale este direct proporțională cu produsul mărimilor acestor sarcini și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele (legea lui Coulomb).

Pentru a determina factorul de proporționalitate k, folosiți expresia k = 1 /(4πεεО).

Potențialul câmpului electric

Un câmp electric conferă întotdeauna mișcare unei sarcini dacă forțele de câmp care acționează asupra sarcinii nu sunt echilibrate de nicio forță externă. Aceasta înseamnă că câmpul electric are energie potențială, adică capacitatea de a lucra.

Prin mutarea unei sarcini dintr-un punct din spațiu în altul, câmpul electric funcționează, în urma căruia furnizarea de energie potențială a câmpului scade.Dacă o sarcină se mișcă într-un câmp electric sub acțiunea unei forțe externe care acționează opus forțelor câmpului, atunci lucrul nu este realizat de forțele câmpului electric, ci de forțele externe. În acest caz, energia potențială a câmpului nu numai că nu scade, ci, dimpotrivă, crește.

Lucrul efectuat de o forță externă care mișcă o sarcină într-un câmp electric este proporțional cu mărimea forțelor câmpului care se opun acelei mișcări. Munca efectuată în acest caz de forțele externe este cheltuită în întregime pentru creșterea energiei potențiale a câmpului. Pentru a caracteriza câmpul din partea energiei sale potențiale, se numește o cantitate numită potențial de câmp electric.

Esența acestei cantități este următoarea. Să presupunem că sarcina pozitivă este în afara câmpului electric luat în considerare. Aceasta înseamnă că câmpul nu are practic niciun efect asupra taxei date. Lasă o forță externă să introducă această sarcină în câmpul electric și, depășind rezistența la mișcare exercitată de forțele câmpului, mută sarcina într-un punct dat din câmp. Munca efectuată de forță și, prin urmare, cantitatea cu care energia potențială a câmpului a crescut, depinde în întregime de proprietățile câmpului. Prin urmare, această lucrare poate caracteriza energia unui câmp electric dat.

Energia câmpului electric legată de o unitate de sarcină pozitivă plasată într-un punct dat al câmpului se numește potențial de câmp într-un punct dat.

Dacă potențialul este notat cu litera φ, sarcina cu litera q și munca cheltuită pentru deplasarea sarcinii cu W, atunci potențialul câmpului într-un punct dat va fi exprimat prin formula φ = W / q.

Rezultă că potențialul câmpului electric într-un punct dat este numeric egal cu munca efectuată de o forță externă atunci când o sarcină pozitivă unitară iese din câmp către un punct dat. Potențialul câmpului este măsurat în volți (V). Dacă în timpul transferului unui coulomb de electricitate în afara câmpului către un punct dat, forțele externe au efectuat un lucru egal cu un joule, atunci potențialul într-un anumit punct al câmpului este egal cu un volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensitatea câmpului electric

În orice câmp electric, sarcinile pozitive se deplasează din puncte cu potențial mai mare în puncte cu potențial mai scăzut. Dimpotrivă, sarcinile negative se deplasează din punctele cu potențial mai mic în punctele cu potențial mai mare. În ambele cazuri, munca se face în detrimentul energiei potențiale a câmpului electric.

Dacă cunoaștem această muncă, adică cantitatea cu care energia potențială a câmpului a scăzut atunci când sarcina pozitivă q se deplasează din punctul 1 al câmpului în punctul 2, atunci este ușor să găsim tensiunea dintre aceste puncte ale câmpului. câmpul U1,2:

U1,2 = A / q,

unde A este munca efectuată de forțele câmpului atunci când sarcina q este transferată din punctul 1 în punctul 2. Tensiunea dintre două puncte din câmpul electric este numeric egală cu munca efectuată de zero pentru a transfera o unitate de sarcină pozitivă dintr-un punct în câmp la altul.

După cum se poate observa, tensiunea dintre două puncte ale câmpului și diferența de potențial dintre aceleași puncte reprezintă aceeași unitate fizică... Prin urmare, termenii tensiune și diferență de potențial sunt aceiași. Tensiunea se măsoară în volți (V).

Tensiunea dintre două puncte este egală cu un volt dacă, la transferul unui coulomb de electricitate dintr-un punct al câmpului în altul, forțele câmpului lucrează egal cu un joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensitatea câmpului electric

Din legea lui Coulomb rezultă că intensitatea câmpului electric al unei sarcini date care acționează asupra unei alte sarcini plasate în acest câmp nu este aceeași în toate punctele câmpului. Câmpul electric în orice punct poate fi caracterizat prin mărimea forței cu care acționează asupra unei unități de sarcină pozitivă plasată într-un punct dat.

Cunoscând această valoare, se poate determina forța F care acționează asupra fiecărei sarcini Q. Se poate scrie că F = Q x E, unde F este forța care acționează asupra sarcinii Q plasată într-un punct din câmp de câmpul electric, E este forța care acționează asupra unei unități de sarcină pozitivă plasată în același punct din câmp. Mărimea E egală numeric cu forța experimentată de o unitate de sarcină pozitivă într-un anumit punct al câmpului se numește puterea câmpului electric.