Электрическое поле. Основные свойства и характеристики электрического поля

 

Первая лекция.

 

Электрическое поле. Основные свойства и характеристики электрического поля.

 

Мы с вами знаем, что тела состоят из атомов, а атом в свою очередь состоит из большого числа элементарных и не всегда частиц. Нас будут интересовать электроны – отрицательно заряженные частицы и положительно заряженные протоны.

В нормальных условиях атомы электрически нейтральны, это означает, что заряд электронов в атоме равен заряду протонов. Но при воздействии на атом тепла, света, механического воздействия, электрического поля атомы могут терять электроны и тогда становятся положительно заряженными ионами. При получении атомом лишних электронов атом обладает излишним отрицательным зарядом, и становиться отрицательным ионом. Процесс превращения нейтральных атомов в ионы называется ионизацией.

Тело называют электрически заряженным, если в нём преобладают положительные или отрицательные ионы. Такие тела взаимодействуют между собой: притягиваются или отталкиваются. Притягиваются разноимённо заряженные тела, а отталкиваются одноимённо заряженные тела. Такое взаимодействие, при условии, что заряженные тела не перемещаются в пространстве и не меняют своего заряда, называется электрическим полем. Если эти условия не соблюдаются, то в дополнение к электрическому полю возникает магнитное поле и тогда говорят о существовании электромагнитного поля.

 Существует минимально возможный (по модулю) электрический заряд (заряд электрона), называемый элементарным зарядом. Его значение:

e = 1,602177·10^–19 Кл ≈ 1,6·10^–19 Кл.

 

Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:

где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5 е; 1,7 е; 22,7 е и так далее.

Электрическое взаимодействие зарядов (заряженных тел) описывается законом Кулона, который гласит: «сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и зависит от среды»

F=  [Н]

где: F – сила взаимодействия тел, Ньютон; Q₁ и Q₂ – заряды точечных тел, Кулон; R – расстояние между телами, метр; ε_a – абсолютная диэлектрическая проницаемость среды.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость учитывает влияние среды на взаимодействие тел. Для удобства оценки влияния разных сред в диэлектрической проницаемости выделили величину, которая не зависит от свойств среды. Это диэлектрическая проницаемость вакуума. Она называется электрической постоянной – ε₀=8,85·10^-12 Ф/м. 

Тогда абсолютная диэлектрическая проницаемость будет равна:

ε_a = ε₀ · ε_r [Фарада/метр]

где: ε_a – абсолютная диэлектрическая проницаемость; ε₀ – электрическая постоянная – ε₀=8,85·10^-12 Ф/м; ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью, так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не вносит заметного перераспределения исследуемых зарядов. Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика - напряженность электрического поля E.

E =  =  =  [Вольт/метр]

Напряжённость электрического поля E, как и сила F являются векторными величинами, т.е. они характеризуются и величиной и направлением.

Напряжённость электрического поля (силовая линия поля) направлена от положительного заряда: к пробному заряду; к отрицательному заряду; в бесконечность. Если исследуется отрицательный заряд, то направление напряжённости электрического поля меняется на обратное.

При перемещении заряда q вдоль произвольного участка длиной l в электрическом поле совершается работа:

A=

Если траектории перемещения заряда будет замкнутой, то эта работа будет равна нулю. То есть:

 

Электрический потенциал в определённой точке электрического поля будет равен:

V=

Электрический потенциал   равенработе, которую совершают силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из данной точки в точку, потенциал которой принят равным нулю (бесконечность).

Тогда разность потенциалов двух точек 1и 2, или напряжение электрического поля между этими точками

U₁₂=V₁-V₂ [Вольт],

численно будет равна работе, которую совершают силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.

Необходимо запомнить, что при обозначении электрического напряжения, после символа U всегда должны следовать два символа индекса, например, U_ab (напряжение всегда измеряется между двумя точками).

 

Проводниками называются вещества, в которых присутствуют и свободно перемещаются электроны.

Изоляторами называются вещества, в которых практически отсутствуют свободные электроны.

Между этими двумя крайностями существуют полупроводники, в которых при комнатной температуре присутствуют свободные электроны, но их незначительное количество не позволяет, чтобы считаться проводниками.

Как уже было сказано в начале лекции, что на разделение зарядов в атомах вещества воздействует, в том числе и электрическое поле.

При помещении проводника в электрическое поле заряды разделяются, но так как они свободно передвигаются, то статическое электрическое поле в проводниках будет всегда равно нулю.

В диэлектриках свободных электронов нет, поэтому внутри молекул происходит упругое смещение связанных зарядов. Этот процесс называется поляризацией.

Закон Гаусса. Сумма всех свободных и связанных зарядов, заключённых в объёме, ограниченном замкнутой поверхностью S, пропорциональна потоку вектора напряжённости электрического поля через эту поверхность:

= =

где: ε_r – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (для вакуума ε_r =0;