Шкільна енциклопедія Електричне поле – це матеріальний об'єкт, який уможливлює взаємодію між зарядженими тілами Закон індукції Фарадея

Сигнали про далекі події ми завжди отримуємо за допомогою проміжного середовища.

(У безповітряному просторі звук поширюватися не може). Оскільки виникнення сигналу завжди є матеріальне явище, його поширення, пов'язане з передачею енергії від точки до точки простору, може відбуватися тільки в матеріальному середовищі.

Найважливішим ознакою те, що у передачі сигналу бере участь проміжне середовище, є кінцева швидкість поширення сигналу від джерела до спостерігача, що залежить від властивостей середовища. Наприклад, звук у повітрі розповсюджується зі швидкістю близько 330 м/с.

Якби в природі існували явища, при яких швидкість поширення сигналів була нескінченно великою, тобто сигнал миттєво передавався від одного тіла до іншого при будь-якій відстані між ними, то це означало б, що тіла можуть діяти одне на одного на відстані за відсутності матерії з-поміж них. Такий вплив тіл один на одного у фізиці називається далекодією. Коли ж тіла діють один на одного за допомогою матерії, що перебуває між ними, їхня взаємодія називається близькою дією. Отже, при близькодії тіло безпосередньо впливає на матеріальне середовище, а це середовище вже впливає на інше тіло.

Для передачі впливу одного тіла на інше через проміжне середовище необхідно деякий час, тому що будь-які процеси в матеріальному середовищі передаються від точки до точки з кінцевою та цілком певною швидкістю. Математичне обґрунтування теорії близькодії було дано видатним англійським ученим Д. Максвеллом (1831-1879 рр.). Оскільки сигналів, що поширюються миттєво, у природі не існує, надалі ми дотримуватимемося теорії близькодії.

У деяких випадках поширення сигналів відбувається за допомогою речовини, наприклад, поширення звуку повітря. В інших випадках речовина безпосередньо в передачі сигналів не бере участі, наприклад, світло від Сонця доходить до Землі через безповітряний простір. Отже, матерія існує у вигляді речовини.

У тих випадках, коли вплив тіл один на одного може відбуватися через безповітряний простір, матеріальне середовище, що передає цю дію, називають полем. Таким чином, матерія існує у вигляді речовини та у вигляді? поля. Залежно від роду сил, що діють між тілами, поля можуть бути різними видами. Поле, яке передає вплив одного тіла на інше відповідно до закону всесвітнього тяжіння, називається полем тяжіння. Поле, яке передає вплив одного нерухомого електричного заряду на інший нерухомий заряд відповідно до закону Кулона, називається електростатичним або електричним полем.

Досвід показав, що електричні сигнали поширюються в безповітряному просторі з дуже великою, але кінцевою швидкістю, що дорівнює приблизно 300 000 км/с (§ 27.7). Це

доводить, що електричне поле - така сама фізична реальність, як і речовина. Вивчення властивостей поля дозволило здійснити передачу енергії на відстань за допомогою поля та використати це для потреб людства. Прикладом може бути дія радіозв'язку, телебачення, лазерів тощо. Проте багато властивостей поля вивчені погано чи ще відомі. Вивчення фізичних властивостей поля та взаємодії між полем та речовиною є однією з найважливіших наукових проблем сучасної фізики.

Будь-який електричний заряд створює у просторі електричне поле, за допомогою якого він взаємодіє з іншими зарядами. Електричне поле діє лише на електричні заряди. Тому виявити таке поле можна тільки одним способом: внести в точку простору, що цікавить нас, пробний заряд Якщо в цій точці поле є, то на буде діяти електрична сила.

Коли поле досліджують пробним зарядом, то вважають, що він своєю присутністю не спотворює поле, що досліджується. Це означає, що величина пробного заряду має бути дуже малою порівняно із зарядами, що створюють поле. Як пробний заряд домовилися використовувати позитивний заряд.

Із закону Кулона випливає, що абсолютна величина сили взаємодії електричних зарядів зменшується зі збільшенням відстані між ними, але ніколи не зникає зовсім. Це означає, що теоретично поле електричного заряду тягнеться до нескінченності. Однак практично ми вважаємо, що поле є лише там, де на пробний заряд діє помітна сила.

Зазначимо ще, що з русі заряду разом із ним переміщається та її поле. Коли заряд видаляється настільки, що електрична сила на пробний заряд у будь-якій точці простору вже практично не діє, ми говоримо, що поле зникло, хоча насправді воно перемістилося до інших точок простору.

Змінні електричне та магнітне поля за певних умов можуть породжувати одне одного. Вони утворюють електромагнітне поле, яке зовсім не є їхньою сукупністю. Це єдине ціле, у якому ці два поля не можуть існувати одне без одного.

З історії

Досвід датського вченого Ханса Крістіана Ерстеда, проведений в 1821, показав, що електричний струм породжує магнітне поле. У свою чергу, магнітне поле, що змінюється, здатне породжувати електричний струм . Це довів англійський фізик Майкл Фарадей, який відкрив у 1831 р. явище електромагнітної індукції. Він є автором терміна «електромагнітне поле».

У ті часи у фізиці була прийнята концепція далекодії Ньютона. Вважалося, що всі тіла діють один на одного через порожнечу з нескінченно великою швидкістю (майже миттєво) і на будь-якій відстані. Передбачалося, що й електричні заряди взаємодіють у такий спосіб. Фарадей вважав, що порожнечі в природі не існує, а взаємодія відбувається з кінцевою швидкістю через якесь матеріальне середовище. Цим середовищем для електричних зарядів є електромагнітне поле. І воно поширюється зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла.

Теорія Максвелла

Об'єднавши результати попередніх досліджень, англійський фізик Джеймс Клерк Максвеллу 1864 р. створив теорію електромагнітного поля. Згідно з нею, магнітне поле, що змінюється, породжує змінне електричне поле, а змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле. Звичайно, спочатку одне з полів створюється джерелом зарядів чи струмів. Але надалі ці поля вже можуть бути незалежно від таких джерел, викликаючи появу один одного. Тобто, електричне та магнітне поля є складовими єдиного електромагнітного поля. І будь-яка зміна одного з них викликає появу іншого. Ця гіпотеза є основою теорії Максвелла. Електричне поле, яке породжується магнітним полем, є вихровим. Його силові лінії замкнуті.

Ця теорія феноменологічна. Це означає, що вона створена на основі припущень та спостережень, і не розглядає причини, що викликає виникнення електричних та магнітних полів.

Властивості електромагнітного поля

Електромагнітне поле - це сукупність електричного та магнітного полів, тому в кожній точці свого простору воно описується двома основними величинами: напругою електричного поля Е та індукцією магнітного поля В .

Оскільки електромагнітне поле є процес перетворення електричного поля на магнітне, та був магнітного на електричне, його стан постійно змінюється. Поширюючись у просторі та часі, воно утворює електромагнітні хвилі. Залежно від частоти та довжини ці хвилі поділяють на радіохвилі, терагерцеве випромінювання, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолетове випромінювання, рентгенівське та гамма-випромінювання.

Вектори напруженості та індукції електромагнітного поля взаємно перпендикулярні, а площина в якій вони лежать, перпендикулярна до напряму поширення хвилі.

Теоретично далекодії швидкість поширення електромагнітних хвиль вважалася нескінченною великою. Однак Максвелл довів, що це не так. У речовині електромагнітні хвилі поширюються з кінцевою швидкістю, що залежить від діелектричної та магнітної проникності речовини. Тому Теорію Максвелла називають теорією близькодії.

Експериментально теорію Максвелла підтвердив 1888 р. німецький фізик Генріх Рудольф Герц. Він довів, що електромагнітні хвилі є. Більш того, він виміряв швидкість розповсюдження електромагнітних хвиль у вакуумі, яка виявилася рівною швидкості світла.

В інтегральній формі цей закон виглядає так:

Закон Гауса для магнітного поля

Потік магнітної індукції через замкнуту поверхню дорівнює нулю.

Фізичний сенс цього закону у цьому, що у природі немає магнітних зарядів. Полюси магніту поділити неможливо. Силові лінії магнітного поля замкнуті.

Закон індукції Фарадея

Зміна магнітної індукції спричиняє появу вихрового електричного поля.

,

Теорема про циркуляцію магнітного поля

У цій теоремі описані джерела магнітного поля, а також самі поля, створювані ними.

Електричний струм та зміна електричної індукції породжують вихрове магнітне поле.

,

,

Е- Напруженість електричного поля;

Н- Напруженість магнітного поля;

В- Магнітна індукція. Це векторна величина, що показує, з якою силою магнітне поле діє заряд величиною q, що рухається зі швидкістю v;

D- Електрична індукція, або електричне зміщення. Являє собою векторну величину, рівну сумі вектора напруженості та вектора поляризації. Поляризація викликається зміщенням електричних зарядів під дією зовнішнього електричного поля щодо їхнього положення, коли таке поле відсутнє.

Δ - Оператор Набла. Дія цього оператора на певне поле називають ротором цього поля.

Δ х Е = rot E

ρ - Щільність стороннього електричного заряду;

j- Щільність струму - величина, що показує силу струму, що протікає через одиницю площі;

з- Швидкість світла у вакуумі.

Вивченням електромагнітного поля займається наука електродинамікою. Вона розглядає його взаємодію Космосу з тілами, що мають електричний заряд. Така взаємодія називається електромагнітним. Класична електродинаміка визначає лише безперервні властивості електромагнітного поля за допомогою рівнянь Максвелла. Сучасна квантова електродинаміка вважає, що електромагнітне поле має також і дискретні (перервні) властивості. І така електромагнітна взаємодія відбувається за допомогою неподільних частинок-квантів, що не мають маси та заряду. Квант електромагнітного поля називають фотоном .

Електромагнітне поле довкола нас

Електромагнітне поле утворюється навколо будь-якого провідника зі змінним струмом. Джерелами електромагнітних полів є лінії електропередач, електродвигуни, трансформатори, міський електричний транспорт, залізничний транспорт, електрична та електронна побутова техніка - телевізори, комп'ютери, холодильники, праски, пилососи, радіотелефони, мобільні телефони, електробритви - словом, все, що пов'язане із споживанням або передачею електроенергії. Потужні джерела електромагнітних полів – телевізійні передавачі, антени станцій стільникового телефонного зв'язку, радіолокаційні станції, НВЧ-печі та ін. Оскільки таких пристроїв навколо нас досить багато, то електромагнітні поля оточують нас всюди. Ці поля впливають на навколишнє середовище та людину. Не можна сказати, що цей вплив завжди негативний. Електричні та магнітні поля існували навколо людини давно, але потужність їхнього випромінювання ще кілька десятиліть тому була в сотні разів нижчою за нинішню.

До певного рівня електромагнітне випромінювання може бути безпечним для людини. Так, у медицині за допомогою електромагнітного випромінювання низької інтенсивності загоюють тканини, усувають запальні процеси, надають знеболювальну дію. Апарати УВЧ знімають спазми гладкої мускулатури кишечника та шлунка, покращують обмінні процеси у клітинах організму, знижуючи тонус капілярів, знижують артеріальний тиск.

Але сильні електромагнітні поля викликають збої у роботі серцево-судинної, імунної, ендокринної та нервової систем людини, можуть викликати безсоння, головний біль, стреси. Небезпека в тому, що їхній вплив практично непомітний для людини, а порушення виникають поступово.

Яким чином захиститися від електромагнітного випромінювання, що оточує нас? Цілком це зробити неможливо, тому потрібно постаратися мінімізувати його вплив. Насамперед потрібно розташувати побутові прилади таким чином, щоб вони були подалі від тих місць, де ми знаходимося найчастіше. Наприклад, не потрібно сідати надто близько до телевізора. Адже що далі відстань від джерела електромагнітного поля, то слабкіше воно стає. Дуже часто ми залишаємо прилад, включеним до розетки. Але електромагнітне поле зникає лише тоді, коли прилад відключається від електричної мережі.

Впливають на здоров'я людини та природні електромагнітні поля – космічне випромінювання, магнітне поле Землі.

Навколо кожного заряду на підставі теорії близькодії існує електричне поле. Електричне поле – матеріальний об'єкт, завжди існує у просторі і здатне діяти інші заряди. Електричне поле поширюється у просторі зі швидкістю світла. Фізична величина, що дорівнює відношенню сили, з якою електричне поле діє на пробний заряд (точковий позитивний малий заряд, що не впливає на конфігурацію поля), до значення цього заряду називається напруженістю електричного поля . Використовуючи закон Кулона, можна отримати формулу для напруженості поля, створюваного зарядом. qна відстані rвід заряду . Напруженість поля залежить від заряду, який воно діє. Лінії напруженості починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних, або йдуть у нескінченність. Електричне поле, напруженість якого однакова у будь-якій точці простору, називається однорідним електричним полем. Приблизно однорідним можна вважати поле між двома паралельними різноіменно зарядженими металевими пластинками. При рівномірному розподілі заряду qпо поверхні площі Sповерхнева щільність заряду дорівнює. Для нескінченної площини з поверхневою щільністю заряду s напруженість поля однакова у всіх точках простору та рівна . Різниця потенціалів.

При переміщенні заряду електричним полем на відстань виконана робота дорівнює . Як і у випадку з роботою сили тяжіння, робота кулонівської сили не залежить від траєкторії переміщення заряду. У разі зміни напрямку вектора переміщення на 180 0 робота сил поля змінює знак на протилежний. Таким чином, робота сил електростатичного поля при переміщенні заряду по замкнутому контурі дорівнює нулю. Поле, робота сил якого по замкнутій траєкторії дорівнює нулю, називається потенційним полем.

Так само, як тіло масою mу полі сили тяжіння має потенційну енергію, пропорційну масу тіла, електричний заряд в електростатичному полі має потенційну енергію W p, пропорційною заряду. Робота сил електростатичного поля дорівнює зміні потенційної енергії заряду, взятому із протилежним знаком. В одній точці електростатичного поля різні заряди можуть мати різну потенційну енергію. Але ставлення потенційної енергії до заряду цієї точки є величина постійна. Ця фізична величина називається потенціалом електричного поля , звідки потенційна енергія заряду дорівнює добутку потенціалу у цій точці на заряд. Потенціал – скалярна величина, потенціал кількох полів дорівнює сумі потенціалів цих полів. Мірою зміни енергії при взаємодії тіл є робота. При переміщенні заряду робота сил електростатичного поля дорівнює зміні енергії з протилежним знаком, тому . Т.к. робота залежить від різниці потенціалів і не залежить від траєкторії між ними, то різницю потенціалів можна вважати енергетичною характеристикою електростатичного поля. Якщо потенціал на нескінченній відстані від заряду прийняти рівним нулю, то на відстані rвід заряду він визначається за формулою

Дія одних заряджених тіл на інші заряджені тіла здійснюється без прямого контакту, за допомогою електричного поля.

Електричне поле матеріальне. Воно існує незалежно від нас та наших знань про нього.

Електричне поле створюється електричними зарядами і можна знайти з допомогою електричних зарядів по дії ними певної сили.

Електричне поле поширюється із кінцевою швидкістю 300000 км/с у вакуумі.

Оскільки однією з основних властивостей електричного поля є його дія на заряджені частинки з певною силою, то для введення кількісних характеристик поля необхідно досліджувану точку простору помістити невелике тіло з зарядом q (пробний заряд). На це тіло з боку поля діятиме сила

Якщо змінити величину пробного заряду, наприклад, вдвічі, вдвічі зміниться і сила, що діє на нього.

При зміні величини пробного заряду в n разів, у n разів змінюється і сила, що діє заряд.

Ставлення ж сили, що діє на пробний заряд, поміщений в цю точку поля, до величини цього заряду, є величина постійна і не залежить ні від цієї сили, ні від величини заряду, ні від того, чи є взагалі в досліджуваній точці поля будь-якої заряд. Це відношення позначається буквою і сприймається силовою характеристикою електричного поля. Відповідна фізична величина називається напруженістю електричного поля .

Напруженість показує, яка сила діє з боку електричного поля на одиничний заряд, поміщений у цю точку поля.

Щоб знайти одиницю напруженості, треба визначальне рівняння напруженості підставити одиниці сили – 1 Н і заряду – 1 Кл. Отримуємо: [E] = 1 Н/1 Кл = 1 Н/Кл.

Для наочності електричні поля кресленнях зображуються з допомогою силових ліній.

Електричне поле може виконувати роботу з переміщення заряду з однієї точки до іншої. Отже, заряд, поміщений у задану точку поля, має запас потенційної енергії.

Енергетичні характеристики поля можна ввести аналогічно до введення силової характеристики.

При зміні величини пробного заряду, змінюється як сила, що діє нього, а й потенційна енергія цього заряду. Ставлення ж енергії пробного заряду, що у цій точці поля, до величини цього заряду, є величиною постійної і незалежної від енергії, ні від заряду.

Щоб отримати одиницю потенціалу, треба визначальне рівняння потенціалу підставити одиниці енергії – 1 Дж і заряду – 1 Кл. Отримуємо: [φ] = 1 Дж/1 Кл = 1 ст.

Ця одиниця має власне найменування 1 вольт.

Потенціал поля точкового заряду прямо пропорційний величині заряду, що створює поле і обернено пропорційний відстані від заряду до даної точки поля:

Електричні поля на кресленнях можна зображувати і за допомогою поверхонь рівного потенціалу, які називаються еквіпотенційними поверхнями .

При переміщенні електричного заряду з точки з одним потенціалом до точки з іншим потенціалом здійснюється робота.

Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи з переміщення заряду з однієї точки поля до іншої, до величини цього заряду, називається електричною напругою :

Напруга показує, чому дорівнює робота, яку виконує електричне поле при переміщенні заряду в 1 Кл з однієї точки поля в іншу.

Одиницею напруги, як і і потенціалу, є 1 У.

Напруга між двома точками поля, розташованими на відстані d одна від одної, пов'язана з напруженістю поля:

В однорідному електричному полі робота з переміщення заряду з однієї точки поля в іншу не залежить від форми траєкторії та визначається тільки величиною заряду та різницею потенціалів точок поля.

Електричне поле, згідно з елементарними фізичними уявленнями, є не що інше, як особливий вид матеріального середовища, що виникає навколо заряджених тіл і впливає на організацію взаємодії між такими тілами з певною кінцевою швидкістю та в строго обмеженому просторі.

Вже давно доведено, що електричне поле може виникати як у нерухомих, так і у тіл, що знаходяться в русі. Основною ознакою наявності цього є його вплив на

Однією з основних кількісних є поняття «напруженість поля». У числовому вираженні цей термін означає відношення сили, що діє на пробний заряд, безпосередньо до кількісного виразу цього заряду.

Те, що заряд пробний, означає, що він сам ніякої участі у створенні даного поля не бере, яке величина настільки мала, що веде ні до яких спотворень вихідних даних. Напруженість поля вимірюється у В/м, що умовно дорівнює Н/Кл.

Відомий англійський дослідник М. Фарадей ввів у науковий обіг метод графічного зображення електричного поля. На його думку, цей особливий вид матерії на кресленні повинен зображуватись у вигляді безперервних ліній. Вони згодом стали називатися «лінії напруженості електричного поля», які напрям, виходячи з основних фізичних законів, збігається з напрямом напруженості.

Силові лінії необхідні, щоб показати такі якісні характеристики напруженості, як щільність або густота. При цьому щільність ліній напруженості залежить від кількості на одиницю поверхні. Створювана картина силових ліній дозволяє визначити кількісне вираз напруженості поля окремих його ділянках, і навіть дізнатися, як вона змінюється.

Досить цікавими властивостями має електричне поле діелектриків. Як відомо, діелектрики - це речовини, в яких практично немає вільних заряджених частинок, тому, як наслідок, вони не здатні проводити. До таких речовин слід віднести насамперед усі гази, кераміку, фарфор, дистильовану воду, слюду тощо.

Щоб визначити напруженість поля в діелектриці, слід пропустити через нього електричне поле. Під його дією пов'язані заряди в діелектриці починають зміщуватися, проте залишити межі своїх молекул вони не в змозі. Спрямованість усунення передбачає, що позитивно заряджені зміщуються вздовж напрямки електричного поля, а негативно заряджені - проти. В результаті цих маніпуляцій усередині діелектрика виникає нове електричне поле, напрям якого прямо протилежне зовнішньому. Це внутрішнє поле помітно послаблює зовнішнє, отже напруженість останнього падає.

Напруженість поля є його найважливішою кількісною характеристикою, яка прямо пропорційна тій силі, з якою цей особливий вид матерії діє зовнішній електричний заряд. Незважаючи на те, що побачити цю величину неможливо, за допомогою креслення силових ліній напруженості можна скласти уявлення про її щільність та спрямованість у просторі.