Какую физическую величину называют напряженностью электрического поля. Электрическое поле и величины, его характеризующие

Взаимодействие зарядов. Закон Кулона?

Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов – закон Кулона – основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов природы он не вытекает.

Если обозначить модули зарядов через |q1| и |q2|, то закон Кулона можно записать в следующей форме:

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от выбора единиц электрического заряда. В системе СИ Н·м2/Кл2, где ε0 – электрическая постоянная, равная 8,85·10-12 Кл2/Н·м2 .

Электрическое поле. Напряженность поля?

Электрическое поле – силовое поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды.

Напряжённость электрического поля - векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого зарядаq:

Также иногда называется силовой характеристикой электрического поля.

Математически зависимость вектора от координат пространства сама задаёт векторное поле.

Модуль напряжённости электрического поля в СИ измеряется в В/м (Вольт на метр).

Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса?

Теорема Гаусса утверждает: Поток вектора напряженности электростатического поля через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, деленной на электрическую постояннуюε0.

Для доказательства рассмотрим сначала сферическую поверхность S, в центре которой находится точечный зарядq. Электрическое поле в любой точке сферы перпендикулярно к ее поверхности и равно по модулю

где R– радиус сферы. ПотокΦчерез сферическую поверхность будет равен произведениюEна площадь сферыСледовательно,

Потенциал электрического поля. Работа по перемещению заряда?

Физическую величину, равную отношению потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда, называют потенциалом электрического поля:

Потенциал является энергетической характеристикой электростатического поля.

Работа A12 по перемещению электрического зарядаqиз начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (φ1 –φ2) начальной и конечной точек:

A12 = Wp1 – Wp2 = qφ1 – qφ2 = q(φ1 – φ2).

В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В). 1 В = 1 Дж / 1 Кл

Проводники в электрическом поле. Емкость. Конденсаторы?

Проводниками называют материалы, имеющие так называемые свободные заряды, которые могут перемещаться в объеме проводника под действием сколь угодно малого внешнего электрического поля.

Электроемкость – характеристика проводящего тела, мера его способности накапливать электрический заряд. Численно электрическая емкость равна заряду q, который необходимо сообщить уединенному телу для изменения его потенциала j на единицу:

Единица электроемкости: 1 Фарад = 1 Кл/В.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок) с одинаковыми по модулю, но противоположными по знаку зарядами, форма и расположение которых таковы, что поле сосредоточено в узком зазоре между обкладками.

Емкость конденсатора физическая величина, равная отношению заряда q, накопленного в конденсаторе, к разности потенциалов между его обкладками j1–j2:

где q– заряд, сообщенной одной из обкладок; – разность потенциалов между обкладками конденсатора.

Конденсаторы бывают : плоского, цилиндрического и сферического типа.

Электроемкость плоского конденсатора можно вычислить по формуле :

S – площадь каждой пластины конденсатора

d – расстояние между ними

– диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Электроемкость цилиндрического конденсатора:

L– длина обкладок конденсатора;Rиr– радиусы внешнего и внутреннего коаксиальных цилиндров;

Емкость сферического конденсатора:

Радиусы концентрических сфер;

Закон Ома для неоднородного участка цепи?

где- ЭДС, действующая на участке 1 и 2; - разность потенциалов точек 1 и 2; >0, если онаспособствует движению положительных зарядов; <0, если она препятствует их движению.

Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца?

Элементарная работа электрического тока:

Работа электрического тока:

Единица работы 1 джоуль (Дж).

Внесистемная единица работы 1 кВтч=3,6 МДж = 3,6хДж.

Работа постоянного электрического тока:

Мощность электрического тока:

Единица мощности 1 ватт (Вт)

Закон Джоуля-Ленца:

Закон Джоуля-Ленца для постоянного тока:

Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:

где w – удельная тепловая мощность тока т.е. количество теплоты, выделяющая за единицу объема проводника.

Правила Кирхгофа для разветвленных цепей?

Узел электрической цепи – любая точка цепи, в которой сходится не менее трех токов. Токи, входящие в узел, считаются положительными, а токи, выходящие из узла, отрицательными.

Первое правила Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю

Второе правила Кирхгофа: в любом замкнутом контуре

Силы Ампера?

Сила Ампера, действующая на элемент тока I длиной dl :

где угол между .

Направление Силы Ампера определяется правилом левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток.

Сила Ампера, действующая в магнитном поле на ток I конечной длины l :

Сила Ампера, действующая в однородном магнитном поле на прямолинейный ток конечной длины l :

г де - угол между вектором плотности тока в проводнике и вектором .

Сила взаимодействия двух параллельных токов длиной l , находящихся на расстояний r друг от друга:

Закон Био-Савар-Лапласа. Напряженность магнитного поля?

Закон Био-Савар-Лапласа: индукция магнитного поля, создаваемого элементом тока длиной, на расстоянииrот него равна

где – радиус-вектор, проведенный из элемента в выбранную точку поля.

Направление находится по правилу правого винта: если поступательное движение винта соответствует направлению тока, то касательная в траектории головки винта дает направление.

Напряжённость магнитного поля - (стандартное обозначение Н) это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

В СИ: , где μ0 - магнитная постоянная

Сила Лоренца?

где - электрический заряд, движущийся со скоростьюв магнитном поле с индукцией, - угол междуи.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор , а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд.

Явление электромагнитной индукции?

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции через его площадь возникает электрический ток (его называют индукционным).

Ферромагнетики

Ферромагнетики - это вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, то есть они сохраняют намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля.

К ферромагнетикам относятся, например, кристаллы железа, никеля, кобальта.

1. Электрическое поле и его свойства. Напряженность электрического поля. Потенциал. Разность потенциалов. Работа в электрическом поле.

Электростатическое поле - поле, созданное неподвижными в пространстве и неизменными во времени электрическими зарядами (при отсутствии электрических токов). Электрическое поле представляет собой особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.

Если в пространстве имеется система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно определяется через силу, действующую на пробный точечный заряд, помещённый в это поле. Пробный заряд должен быть ничтожно малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.

Электрическое поле называют однородным, если вектор его напряженности одинаков во всех точках поля.

Основные характеристики электростатического поля: напряженность и потенциал.

Напряжённость электри́ческого по́ля - векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы F, действующей на неподвижный точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q:

Из этого определения видно, почему напряженность электрического поля иногда называется силовой характеристикой электрического поля (действительно, всё отличие от вектора силы, действующей на заряженную частицу, только в постоянном множителе).

В каждой точке пространства в данный момент времени существует свое значение вектора (вообще говоря - разное в разных точках пространства), таким образом, - это векторное поле. Формально это выражается в записи

представляющей напряженность электрического поля как функцию пространственных координат (и времени, т.к. может меняться со временем). Это поле вместе с полем вектора магнитной индукции представляет собой электромагнитное поле, и законы, которым оно подчиняется, есть предмет электродинамики.

Напряжённость электрического поля в Международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах на метр [В/м] или в ньютонах на кулон [Н/Кл].

Потенциал электростатического поля - скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду:

φ = W / q = const

Энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле.

Потенциалом электростатического поля называют саклярную физическую величину, равную отношению потенциальной энергии заряда в поле к модулю этого заряда:

φ = Wп / q = const

Потенциал однородного поля:

φ = Wп / q = -Exx + C

Значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчёта потенциала. Этот уровень выбирают произвольно.

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к модулю этого заряда:

U = φ1 - φ2 = -Δφ = A / q,

A = -(Wп2 - Wп1) = -q(φ2 - φ1) = -qΔφ

Разность потенциалов измеряется в вольтах (В = Дж / Кл)

Связь между напряжённостью электростатического поля и разностью потенциалов:

Напряжённость электростатического поля направлена в сторону убывания потенциала. Измеряется в вольтах, делённых на метры (В / м).

Электрическое поле - одна из двух компонент электромагнитного поля, представляющая собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающее при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряжённость электрического поля - векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора напряженности совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике - это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные относительно наблюдателя электрически заряженные тела или частицы. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

2. Применение первого закона термодинамики и изопроцесса. Адиабатический процесс.

Первый закон термодинамики - Изменение внутренней энергии ΔU не изолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A внешних сил

Вместо работы А, совершаемой внешними силами над термодинамической системой, часто удобнее бывает рассматривать работу A’, совершаемую термодинамической системой над внешними телами. Так как эти работы равны по абсолютному значению, но противоположны по знаку:

Тогда после такого преобразования первый закон термодинамики будет иметь вид:

Первый закон термодинамики - В не изолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой A’, совершаемой данной системой

Говоря простым языком первый закон термодинамики говорит о энергии, которая не может сама создаваться и исчезать в никуда, она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую (механическая в тепловую).

Важным следствием первого закона термодинамики является то, что невозможности создать машину (двигатель), которая способна совершать полезную работу без потребления энергии извне. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя первого рода.

Первый закон термодинамики в изопроцессах

1. В изохорном процессе (V=const). При изохорном процессе объем газа остается постоянным, поэтому газ не совершает работу. Изменение внутренней энергии газа происходит благодаря теплообмену с окружающими телами:

Здесь U1 и U2 – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры. При изохорном нагревании тепло поглощается газом Q > 0, и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам Q < 0

2. В изобарном процессе (P=const). При изобарном расширении газа подведенное к нему количество теплоты расходуется как на увеличение его внутренней энергии и на совершение работы газом:

При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T2 < T1; внутренняя энергия убывает, ΔU < 0.

3. В изотермическом процессе (T=const). При изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, ΔU = 0.

Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам. Наряду с изохорным, изобарным и изотермическим процессами в термодинамике часто рассматриваются процессы, протекающие в отсутствие теплообмена с окружающими телами.

4. В адиабатном процессе (Q=0). При адиабатном процессе первый закон термодинамики выглядит:

То есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии. На плоскости (p, V) процесс адиабатического расширения (или сжатия) газа изображается кривой, которая называется адиабатой. При адиабатическом расширении газ совершает положительную работу (A > 0); поэтому его внутренняя энергия уменьшается (ΔU < 0). Это приводит к понижению температуры газа. Вследствие этого давление газа при адиабатическом расширении убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

В Формуле мы использовали:

Изменение внутренней энергии

Q - Количество теплоты

A - Работа внешних сил

A" - Работа совершаемая системой

V - Объем газа

Главное свойство электрического поля – способность действовать на электрические заряды с некоторой силой, поэтому естественно охарактеризоватьэлектрическое поле с помощью силы, действующей на точечный положительный заряд, внесенный в это поле.

Напряженностью электрического поля в данной точке называют физическую величину, численно равную силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку и имеющей направление этой силы:

В частности, напряженность в любой точке поля, созданного точечным зарядом (как это следует из закона Кулона), равна

. (6.3)

Напряженность поля не зависит от величины пробного заряда, а определяется величиной и знаком заряда, создающего поле, и положением (координатой) выбранной точки поля. Напряженность поля определяет величину и направление силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля:

(6.4)

Если поле создано двумя или несколькими зарядами, то электрическое поле каждого заряда (как утверждает опыт) не зависит друг от друга, и напряженность электрического поля, поэтому определяется как векторная сумма напряженностей полей, создаваемых отдельными зарядами (рис. 6.1). В этом состоит принцип суперпозиции полей:

. (*)

Для наглядного (графического) описания электрических полей используется понятие силовой линии поля.

Силовой линией называют линию, проведенную в электрическом поле так (рис. 6.2), чтобы касательная в любой ее точке совпадала с направлением вектора напряженности. Силовой линии приписывают направление, совпадающее с направлением вектора напряженности в каждой ее точке. Так как каждой точке поля соответствует вполне определенный вектор напряженности поля, то силовые линии нигде не пересекаются.

Условилисьпри изображении электрических полей с помощью линий напряженности, число силовых линий, проходящих через единичную поверхность, перпендикулярную к силовым линиям в данной точке поля, выбирать равным напряженности поля Е в данной точке (в этом состоит правило графического изображения полей с помощью силовых линий). При таком условии картина силовых линий электрического поля позволяет наглядно судить как о направлении, так и о величине напряженности поля в каждой точке.

Потенциал электрического поля

Помимо напряженности электрическое поле характеризуется еще одной важной физической величиной – потенциалом.

Рассмотрим перемещение заряда q в поле другого точечного заряда q 0 из точки 1 в точку 2 (рис. 6.3). Работа силы F на элементарном перемещении dl определяется соотношением

но

, значит

. Подставим сюда вместо силы ее значение из закона Кулона, получим:

. (6.6)

Для вычисления работы перемещения заряда из точки 1 в точку 2 по произвольному пути 1–2 проинтегрируем (6.6) в пределах от r 1 до r 2 , получим

. (6.7)

Из выражения (6.7) следует, что работа перемещения электрического заряда не зависит от формы пути, по которому перемещается заряд, а зависит только от начальной и конечной точек. Если заряд q , перемещаясь в электрическом поле, возвращается в исходную точку (r 2 = r 1), то работа перемещения заряда по замкнутому пути в электростатическом поле равна нулю. Поля, обладающие указанным свойством, называются потенциальными.

Найдем отношение работы перемещения заряда к величине этого заряда:

. (6.8)

Эта величина не зависит от величины перемещаемого заряда и от пути, по которому он перемещается, и поэтому служит характеристикой поля, созданного зарядом q 0 , и называется разностью потенциалов или электрическим напряжением.

Разность потенциалов двух точек 1 и 2 электрического поля измеряется работой, совершаемой полем при перемещении единичного положительного заряда между этими точками.

Следует подчеркнуть, что разность потенциалов имеет смысл характеристики поля потому, что работа перемещения заряда не зависит от формы пути. Действительно, если бы работа перемещения заряда зависела от пути, то при перемещении одного и того же заряда между теми же самыми точками поля, это отношение A / q не являлось бы однозначной характеристикой этих точек поля.

Если выбрать какую-либо точку пространства в качестве начальной точки (точки отсчета), то любой точке можно сопоставить разность потенциалов относительно этой начальной точки.

Для случая поля точечного заряда наиболее простое математическое выражение для потенциала получается, если в качестве начальной выбрать любую точку, удаленную на бесконечность. Тогда работа перемещения положительного заряда q из бесконечности в данную точку поля, созданного другим точечным зарядом q 0 , будет равна

. (6.9)

Отношение работы перемещения положительного заряда из бесконечности в данную точку поля к величине этого заряда (работа по перемещению единичного заряда) называется потенциалом данной точки поля:

. (6.10)

Знак минус в этом выражении означает, что в данном случае работа совершается внешними силами против сил поля.

Очевидно, что напряжение U между произвольными точками 1 и 2 электрического поля и потенциалы этих точек связаны простым соотношением

. (6.11)

Для поля точечного заряда

. (6.12)

Потенциал любой точки поля, созданного положительным зарядом – положителен и убывает до нуля по мере удаления от заряда. Напротив – потенциал поля, созданного отрицательным зарядом, – отрицательная величина и растет до нуля по мере удаления от заряда.

Из выражения для потенциала (6.12) следует, что потенциал любой точки сферической поверхностиS c центром в точке расположения заряда одинаков (рис. 6.4). Такие поверхности называются поверхностями равного потенциала или эквипотенциальными поверхностями.

Работу перемещения заряда можно выразить через разность потенциалов

. (6.13)

Отсюда следует, что работа перемещения заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю. Это значит, что сила, действующая на заряд, а следовательно, и вектор напряженности поля Е направлены перпендикулярно эквипотенциальной поверхности.

Используя эквипотенциальные поверхности, можно также дать графическое изображение электрического поля.

Результаты, полученные для поля точечного заряда, легко распространить на поля, созданные любым числом точечных зарядов, а так как любое заряженное тело можно представить как совокупность точечных зарядов, то и на поле, созданное любым заряженным телом.

Поля точечных зарядов в соответствии с принципом суперпозиции, накладываясь друг на друга, не влияют друг на друга. Поэтому потенциал поля любого числа зарядов будет равен алгебраической сумме потенциалов полей, созданных отдельными зарядами, т. е.:

. (6.14)

Таким образом, все вышеизложенное в отношении понятия потенциала справедливо и для поля, созданного заряженным телом любой формы, а величину потенциала, в принципе, можно вычислить по формуле (6.14).

Действие электрического поля на заря-женное тело может иметь разную интен-сивность. Сила, характеризующая это дейст-вие, будет зависеть не только от заряда тела, но и от характеристик поля. Тем не менее, в каждом отдельном случае для дан-ной точки поля она будет пропорциональ-ной значению электрического заряда. Отно-шение силы к заряду в данной точке поля всегда будет постоянным. То есть

F 1 / q 1 = F 2 / q 2 = F 3 / q 3 = … = F / q,

где F— сила, действующая на заряженное тело; q — значение электрического заряда тела.

Сила взаимодействия электри-чески заряженного тела с элект-рическим полем пропорциональ-на его заряду.

В электрическом поле другого источника или в другой точке данного поля это со-отношение также будет справедливым, но его значение может быть другим.

Для исследования электричес-кого поля используют тела ма-лых размеров (точечные).

Отношение F / q будет индивидуальным для каждой точки поля и будет характеризовать силовое действие поля. Это стало основа-нием для введения физической величины, которая характеризует силовое действие электрического поля. Такая физическая ве-личина называется напряженностью элект-рического поля , и ее значение устанавли-вается на основании соотношения

E̅ = F̅ / q.

Напряженность электрического поля — это физическая величина, которая является си-ловой характеристикой электрического поля и равняется силе, действующей на точечное тело, имеющее единичный электрический за-ряд.

Точечное тело, имеющее поло-жительный единичный электри-ческий заряд, называют проб-ным зарядом , или пробным те-лом .

Напряженность является векторной вели-чиной и определяет не только значение силы, действующей на заряженное тело, но и ее направление.

Для измерения напряженности электри-ческого поля применяются специальные еди-ницы измерения. В соответствии с опре-делением Материал с сайта

[E ] = 1 Н / 1 Кл = 1 Н/Кл.

Собственного наименования эта единица не имеет и читается как «ньютон на кулон». В практике применяют другую единицу напряженности — 1 В/м. Ее читают как «вольт на метр». По размеру эти две единицы одинаковые.

Если напряженность в разных точках по-ля имеет разные значения, то это поле на-зывают неоднородным.

На этой странице материал по темам:

• Краткий конспект электрического поля

• Какое свойство электрического поля описывает напряжённость

• Яку властивість електричного поля описує напруженість

• Напряжённость электрического поля краткий конспект самое главное

• Напряженность электрического поля конспект

Вопросы по этому материалу: