Электрическое поле

Определение

Электрическое поле — это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. Оно характеризуется силой, действующей на помещенный в него электрический заряд, и энергетически описывает способность поля совершать работу при перемещении заряда.

Формула

E = F / q

• E — напряженность электрического поля
• F — сила, действующая на точечный заряд в поле
• q — величина точечного заряда

Единицы измерения: Ньютон на Кулон (Н/Кл) или Вольт на метр (В/м)

Как возникает электрическое поле

Электрическое поле не существует само по себе, оно всегда порождается электрическими зарядами. Любой заряженный объект – электрон, протон, ион, или даже заряженное тело макроскопических размеров – создает вокруг себя электрическое поле. Это поле распространяется в пространстве со скоростью света. Чем больше заряд, тем сильнее создаваемое им поле. Кроме того, изменяющееся магнитное поле также порождает электрическое поле, что описывается уравнениями Максвелла и является основой электромагнитной индукции.

Как электрическое поле проявляет себя

Электрическое поле невидимо и ненаблюдаемо напрямую, но мы можем обнаружить его по действию, которое оно оказывает на другие электрические заряды. Если поместить пробный положительный заряд в область, где есть электрическое поле, на него будет действовать сила. Направление этой силы совпадает с направлением электрического поля (для положительного заряда) и противоположно ему (для отрицательного заряда). Это позволяет нам описывать электрическое поле с помощью силовых линий, показывающих направление действия поля.

Характеристики электрического поля

Основными характеристиками электрического поля являются напряженность и потенциал. Напряженность (E) – это векторная величина, которая показывает силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля. Потенциал (φ) – это скалярная величина, характеризующая энергетические свойства поля и равная потенциальной энергии единичного положительного заряда в данной точке поля. Эти две характеристики взаимосвязаны и позволяют полностью описать электрическое поле.

Где существует электрическое поле

Электрическое поле пронизывает все пространство вокруг заряженных тел. Оно существует как внутри проводников и диэлектриков, так и в вакууме. Внутри проводников в электростатическом равновесии напряженность электрического поля равна нулю, так как свободные заряды перемещаются до тех пор, пока не скомпенсируют внешнее поле. В диэлектриках поле ослабляется из-за поляризации их молекул, но не исчезает полностью. Даже при отсутствии видимых зарядов, если есть переменное магнитное поле, электрическое поле будет присутствовать.

Как найти и применять

1. Определите источник электрического поля (заряженное тело, система зарядов).
2. Выберите точку, в которой нужно найти характеристики поля.
3. Если требуется найти напряженность, используйте принцип суперпозиции: найдите векторы напряженности от каждого заряда и сложите их векторно.
4. Если требуется найти потенциал, используйте принцип суперпозиции: найдите потенциалы от каждого заряда и сложите их алгебраически.
5. Для определения силы, действующей на заряд, умножьте напряженность поля на величину заряда.

Разбор задач

Задача 1

Определите напряженность электрического поля, если на точечный заряд 2·10⁻⁹ Кл действует сила 4·10⁻⁵ Н.

1. Запишем формулу для напряженности электрического поля: E = F / q. 2. Подставим известные значения: F = 4·10⁻⁵ Н, q = 2·10⁻⁹ Кл. 3. Вычислим: E = (4·10⁻⁵ Н) / (2·10⁻⁹ Кл) = 2·10⁴ Н/Кл.

Ответ: Напряженность электрического поля равна 2·10⁴ Н/Кл.

Задача 2

С какой силой электрическое поле напряженностью 300 В/м действует на заряд 5·10⁻⁶ Кл?

1. Запишем формулу для силы, действующей на заряд в электрическом поле: F = E·q. 2. Подставим известные значения: E = 300 В/м, q = 5·10⁻⁶ Кл. 3. Вычислим: F = 300 В/м · 5·10⁻⁶ Кл = 1500·10⁻⁶ Н = 1.5·10⁻³ Н.

Ответ: Сила, действующая на заряд, равна 1.5·10⁻³ Н.

Где это встречается

• Электростатические фильтры (например, в пылесосах) — Загрязненные частицы в воздухе электризуются, а затем притягиваются к пластинам, имеющим противоположный заряд, благодаря силе электрического поля.
• Лазерные принтеры и копировальные аппараты — Электрическое поле используется для нанесения тонера (мелкого порошка) на нужные участки фотобарабана, а затем для переноса тонера на бумагу.
• Электронно-лучевые трубки (старые телевизоры и мониторы) — Электрическое поле отклоняет пучок электронов, направляя его в нужные точки экрана для формирования изображения.
• Защита от молний (громоотводы) — Острые концы громоотвода создают вблизи себя сильное электрическое поле, которое ионизирует воздух, облегчая путь разряда молнии к земле.
• Исследование строения вещества (масс-спектрометрия) — Электрическое поле используется для разделения ионов по отношению их заряда к массе, что позволяет анализировать состав образцов.

Типичные ошибки

Не путать

• Магнитное поле — Электрическое поле создается электрическими зарядами (как покоящимися, так и движущимися) и изменяющимися магнитными полями. Оно действует на электрические заряды независимо от их движения. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами (токами) и изменяющимися электрическими полями, и действует только на движущиеся электрические заряды.
• Гравитационное поле — Электрическое поле создается электрическими зарядами и действует на заряды. Гравитационное поле создается массами и действует на массы. Электрическое поле может быть как притягивающим, так и отталкивающим, гравитационное поле всегда притягивающее.
• Электрический ток — Электрическое поле – это среда, через которую передается взаимодействие зарядов. Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, которое может быть вызвано электрическим полем.

Откуда взялось понятие

Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем в середине XIX века для объяснения дальнодействия электрических зарядов. Теория электрического и магнитного полей была развита Джеймсом Максвеллом.

Как запомнить

Электрическое поле — это невидимый 'мост', по которому общаются электрические заряды.