Графическое изображение электрических полей
Электрическое поле графически изображается с помощью электрических силовых линий. Электрическими силовыми линиями называют линии, показывающие направление действия сил электрического поля на положительный заряд, помещенный в это электрическое поле.
Направление электрических силовых линий в каждой точке совпадает с касательной, создаваемой направлением вектора напряженности в этой точке. Чем больше напряженность электрического поля, тем больше плотность электрических силовых линий.
Электрическое поле может быть однородным и неоднородным. Однородным электрическим полем называется такое, во всех точках которого электрические силовые линии имеют одинаковую плотность и одно направление. На рисунке 1 показано однородное электрическое поле в средней части между двумя параллельными плоскостями, имеющими разноименные заряды.
Рисунок 1
Если плотность электрических линий неодинакова в различных точках электрического поля, то такое поле называется неоднородным. На рисунке 2 показано неоднородное электрическое поле созданное двумя одноименными зарядами. Электрические силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность.
Рисунок 2
Электрические силовые линии не пересекаются. Это очевидно из того, что вектор напряженности электрического поля в любой точке поля может иметь только одно направление. Нельзя думать, что электрические силовые линии существуют в действительности. Они являются только наглядным способом изучения электрических полей и показывают действительное направление вектора напряженности в данной точке электрического поля.
Распределение электрического поля в пространстве может быть охарактеризовано не только электрическими силовыми линиями, но и поверхностями разного потенциала—эквипотенциальными поверхностями. Вокруг заряженного шара (рисунок 3) точки с равным потенциалом находятся на сферической поверхности, окружающей заряженный шар.
Рисунок 3
На рисунке 4 сплошными линиями показаны эквипотенциальные поверхности электрического поля, созданного двумя разноименными зарядами. Так как в любых точках одной и той же эквипотенциальной поверхности потенциалы равны, то силы поля не совершают работу по перемещению электрического заряда по эквипотенциальной поверхности, поэтому векторы напряженности электрического поля направлены перпендикулярно к этой поверхности, то есть электрические силовые линии в точке пересечения с эквипотенциальными поверхностями перпендикулярны к ним.
Рисунок 4
Как установлено опытом, напряженность электрического поля нескольких зарядов в данной точке равно геометрической сумме напряженностей электрических полей зарядов в этой точке, создаваемых всеми отдельными зарядами независимо друг от друга E=E1++E2+…+En. Если электрическое поле создано несколькими зарядами, то для определения в данной точке поля результирующей напряженности, созданной всеми зарядами, применяют принцип наложения, который также называется принципом суперпозиции.
Рисунок 5
Принцип наложения заключается в том, что сначала определяют напряженность E1, создаваемую в точке М (рисунок 5) только одним зарядом Q1, предполагая, что второго заряда Q2 в электрическом поле нет, а затем определяют напряженность E2, создаваемую только зарядом Q2 в той же точке М, предполагая, что первого заряда Q1 в электрическом поле нет.
Напряженность электрического поля, созданного зарядами Q1 и Q2, равна сумме Е=Е1+Е2.
Графическое изображение поля
Электрическое поле изображают с помощью электрических линий и следов эквипотенциальных поверхностей.
Поверхность, проведённая в пространстве так, что все её точки имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной.
Рисунок 1.7 – Неоднородное симметричное поле
Рисунок 1.8 – Неоднородное несимметричное поле
Рисунок 1.9 – Однородное несимметричное поле
Если вектор напряженности в каждой точке поля одинаков по величине и направлению то поле считается однородным.
Силовые линии магнитного поля (линии напряженности) проводятся так что:
1. Направление от положительного заряда и к отрицательному заряду;
2. Густота силовых линий отражает величину напряженности;
3. Проводятся так, чтобы вектор напряженности в каждой точке линии был направлен по касательной к ней.
Силовые линии это мысленные траектории движения пробного положительного заряда, внесенного в данную точку поля.
Следы эквипотенциальных поверхностей проводятся так, чтобы они пересекались с силовыми линиями под прямым углом, между каждыми двумя соседними эквипотенциальными поверхностями разность потенциалов одинакова.
1.3 Электропроводность веществ: проводники, диэлектрики, полупроводники
Почти в любом объёме любого вещества содержится некоторое количество свободных зарядов, их число в единице объёма называется концентрацией.
При отсутствии внешнего электрического поля свободные заряды совершают хаотическое тепловое движение, попадая в электрическое поле они приобретают скорость упорядоченного, направленного движения.
Упорядоченное направленное движение зарядов под действием сил внешнего электрического поля называется электрическим током.
Способность веществ, проводить электрический ток называется электропроводностью.
В зависимости от электропроводности все вещества делят на три группы:
1) Проводники – вещества, обладающие хорошей электропроводимостью, следовательно, хорошо проводящие электрический ток. Делятся на две подгруппы:
а) Первого рода – металлы и их сплавы. В них большое количество свободных электронов, которые под действием сил внешнего электрического поля приобретают скорость направленного движения, следовательно ток в проводника первого рода – это упорядоченное направленное движение электронов, а значит не сопровождается переносом вещества и химическими реакциями.
Проводник первого рода помещён в электростатическое поле, происходит явление электромагнитной индукции –мгновенное перемещение свободных зарядов к одной поверхности проводника. На этой поверхности возникает избыточный отрицательный заряд, недостаток электронов у противоположной поверхности создаёт избыточный положительный заряд, следовательно заряженные поверхности проводника создают собственное поле, направленное против внешнего и всегда его уравновешивающего. На этом основано экранирование – защита части пространства от внешних электрических полей.
б) Второго рода – это электролиты – водные растворы солей, кислот, щелочи, в них под действием растворителя (воды) происходит расход молекул на положительно и отрицательно заряженные ионы (электролитическая диссонация). Во внешнем электрическом поле ионы приобретают скорость направленного движения, значит ток в проводниках второго рода – это направленное движение ионов, а значит, сопровождается переносом вещества и химическими реакциями.
2) Диэлектрики – вещества, не имеющие свободных зарядов, а потому не способные проводить постоянный электрический ток. Делятся на две группы: неполярные и полярные диэлектрики.
У полярных диэлектриков диполи существуют от природы без всякого внешнего поля, но ариентированны хаотически. Во внешнем поле диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль линий внешнего поля, происходит поляризация, которая называется ориентационной.
Внутри любого поляризованного диэлектрика поле существует, но по сравнению со внешним оно ослаблено в E раз.
Постоянный электрический ток диэлектрики не проводят, а переменный ток проводят – направленное колебательное движение диполей под действием сил внешнего переменного электрического поля.
О том, что колебательные движения диполей можно назвать электрическим током говорит опыт Эйхенвольда.
При протягивании диэлектрика в месте AB происходит … временный поворот на 180° и это сопровождается возникновением магнитного поля, которое всегда сопутствует электрическому току.
Ток проводимости – упорядоченное направленное движение свободных зарядов под действием сил внешнего электрического поля (постоянный и переменный).
Ток смещения связанных зарядов (в диэлектрике) – колебательное движение диполей под действием сил внешнего переменного электрического поля
3) Полупроводники – вещества, занимающие промежуточное положение по электропроводимости между проводниками и диэлектриками. Ток в них это направленное движение свободных электронов и дырок, зависит от некоторых факторов (температура, освещённость, наличие примесей).
Дата добавления: 2015-06-17 ; просмотров: 4516 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Графическое изображение электрических полей
Электрическое поле невидимо, но иногда очень важно представить, как оно распределено в пространстве. В этом случае электрическое поле можно изобразить графически с помощью линий вектора напряженности 
, которые также называют силовыми линиями электрического поля.
Линией вектора напряженности или силовой линией называют линию, в каждой точке которой вектор напряженности электрического поля направлен по касательной к ней. Так как касательная определяет два взаимно противоположных направления, то силовой линии приписывают определенное направление, отмечая его на рисунке стрелкой.
На рисунке 22.1.3а изображена силовая линия некоторого электрического поля.
Выберем на этой линии произвольные точки А, В и С (Рис.22.1.3б).
Для того, чтобы указать векторы напряженности 
, 
, 
в этих точках, проведем векторы, касательные к этим точкам, причем начала каждого из этих векторов должны находиться в соответствующих точках (Рис.22.2.3в).
Вопрос о величинах , , рассматривать пока не будем.
Чтобы при помощи силовых линий изобразить не только направление, но и величину напряженности поля (качественно), условились на графическом изображении поля проводить силовые линии так с определенной густотой, а именно так, чтобы число силовых линий, проходящих через единицу поверхности, перпендикулярной к силовым линиям, было пропорциональным величине напряженности поля в данном месте.
Изображая силовые линии поля, мы получаем своеобразное графическое изображение, которое наглядно показывает, как напряженность поля изменяется в пространстве.
На рисунке 22.1.4 изображена плоская картина части некоторого электрического поля. Из рисунка видно, что величина напряженности поля в точках, принадлежащих плоскости 1, меньше величины напряженности поля, принадлежащих плоскости 2. если эти точки находятся на одной силовой линии.
При графическом построении изображения электростатическихических полей с помощью силовых линий нужно руководствоваться следующими соображениями:
Поле, изображенное не рисунке 22.1.4 это пример неоднородного поля, т.е. поля с переменной от точки к точке напряженностью.
Такие поля изображаются или кривыми силовыми линиями (Рис.22.1.5а), или непараллельными прямыми (Рис.22.1.5б), или параллельными прямыми, но расположенными с разной густотой (Рис.22.1.5в).
Однако очень часто встречается случай, когда с какой-то области пространства создается однородное электрическое поле.
Определение однородного электрического поля:
Поле, в каждой точке которого вектор напряженности постоянный по величине а направлению ( =const), называется однородным.
Силовые линии однородного электрического поля представляют собой параллельные прямые, распределенные по пространству с одинаковой густотой, т.е. отстоящие друг от друга на равных расстояниях.
На рисунке 22.1.5а изображен плоская картина распределения силовых линий некоторого однородного электрического поля.
 |
Выберем произвольные точки этого поля: A, B, C, D, F (Рис.22.1.5б). электрического поля представляют собой параллельные прямые, распределенные по пространству с одинаковой густотой, т.е. равлений
Во всех этих точках вектор напряженности 
одинаков по модулю и по направлению.
10 класс
§ 60. Графическое изображение электрических полей
Линии напряжённости электрического поля.
Фарадей предложил изображать поле линиями, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряжённости поля в той же точке поля. Такие линии называют силовыми линиями или линиями напряжённости электрического поля. Отметим их особенности.
1. Предположим, что вблизи положительного точечного заряда нет других положительных зарядов (рис. 9.19, а), а отрицательные заряды расположены на бесконечно большом расстоянии. Линии напряжённости как бы выходят из положительного точечного заряда и идут в бесконечность. Если точечный заряд, образующий электрическое поле, отрицательный, то линии напряжённости сходятся к этому заряду (рис. 9.19, б).
3. Так как электрическое поле существует в любой точке пространства, то через любую его точку можно провести силовую линию. Напряжённость поля в каждой точке пространства имеет определённое направление и значение. Поэтому через эту точку можно провести только одну силовую линию. Тем самым, силовые линии нигде не пересекаются и не прерываются в точках, где нет источников поля.
4. Силовые линии электростатического поля не замкнуты; они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных зарядах. На рисунках 9.21 и 9.22 представлены картины электрических полей, созданных двумя разноимёнными и одноимёнными точечными зарядами, равными по модулю.
5. Условились изображать линии напряжённости электростатического поля так, чтобы число линий, исходящих от положительного заряда или заканчивающихся на отрицательном заряде, было пропорционально модулю этого заряда. Чем гуще линии напряжённости в определённой области пространства, тем больше модуль его напряжённости. И наоборот, чем более разрежены линии напряжённости в определённой области пространства, тем меньше модуль его напряжённости.
Кроме того, чем дальше от заряда расположена интересующая нас точка пространства, тем меньше густота силовых линий поля в ней. Следовательно, тем меньше модуль напряжённости электростатического поля и тем с меньшей силой будет это поле действовать на помещённый в поле пробный заряд.
6. На рисунке 9.23 показана картина силовых линий электростатического поля, созданного двумя параллельными металлическими пластинами. Им сообщены равные по модулю, но противоположные по знаку заряды. Из рисунка 9.23 видно, что в пространстве между пластинами вдали от краёв пластин силовые линии параллельны: электростатическое поле здесь одинаково во всех точках.
Электрическое поле, напряжённость которого одинакова (по модулю и направлению) во всех точках пространства, называют однородным.
В ограниченной области пространства электрическое поле можно считать приблизительно однородным, если напряжённость поля внутри этой области меняется незначительно (по модулю и направлению).
Наблюдение силовых линий электрического поля.
Линии напряжённости позволяют представить распределение электрического поля в пространстве. Однако они не более реальны, чем меридианы и параллели на земном шаре. Тем не менее силовые линии можно сделать «видимыми». Для этого нужно металлические тела (электроды) соединить с полюсами электростатической машины и погрузить в вязкий диэлектрик (например, в касторовое или вазелиновое масло). В эту жидкость следует насыпать и хорошо перемешать продолговатые частицы изолятора (например, хинина, манной крупы, семян или мелко настриженный волос).
При зарядке электродов в жидкости создаётся достаточно сильное электрическое поле, под действием которого частицы диэлектрика поляризуются: на их концах возникают заряды противоположного знака (подробно этот процесс будет рассмотрен в § 66 «Диэлектрики в электростатическом поле»). Частицы поворачиваются во внешнем электрическом поле вдоль линий напряжённости, и заряды на их концах взаимодействуют друг с другом. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые — отталкиваются. В результате частицы диэлектрика выстраиваются вдоль силовых линий (рис. 9.24).
Вопросы:
1. Что называют силовыми линиями (линиями напряжённости) электрического поля?
2. Какими свойствами обладают линии напряжённости электрического поля?
3. Какое электрическое поле можно считать однородным?
Вопросы для обсуждения:
1. По картине силовых линий электростатического поля (рис. 9.25) определите, в какой из точек А, В или C модуль напряжённости поля наибольший. Как направлен вектор напряжённости поля в этих точках?
2. Как можно графически определить, является ли электрическое поле однородным или неоднородным? Является ли однородным поле неподвижного точечного заряда?
Напряженность электрического поля и его графическое изображение
На единичный положительный заряд, помещенный в любую точку электрического поля, будет действовать некоторая сила.
Определение: Сила, действующая на единичный неподвижный положительный заряд в данной точке поля, называется напряженностью электрического поля.
Измеряется напряженность поля в вольтах на метр (в/м).
Если в данной точке поля находится заряд q и поле действует на него с силой F, то напряженность поля Е можно определить по формуле
Если в данной точке поля находится единичный заряд (т. е. q=1), то E = F. Это соответствует данному выше определению напряженности электрического поля.
Пример. В электрическом поле находится заряд q = 0,004 кулона. На заряд действует сила F = 4 ньютонам. Определить напряженность электрического поля.
Решение.
Кулон — заряд, переносимый через поперечное сечение проводника в одну секунду при неизменяющейся силе тока, равной одному амперу.
Следует подчеркнуть разницу между понятиями «напряженность электрического поля» и «напряжение». Напряженность характеризует поле в данной точке через величину силы, действующей на единичный положительный заряд, находящийся в этой точке. Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, или работа, совершаемая силами поля при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую.
ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Мы уже знаем, что вокруг электрического заряда существует электрическое поле, проявляющееся, в частности, в том, что на пробный заряд, внесенный в это поле, действует механическая сила. Кроме того, нужно обратить внимание и еще на одно очень важное обстоятельство: пробный заряд под действием электрического поля всегда перемещается в определенном направлении. Например, если поле создано положительно заряженным шаром, то пробный положительный заряд отталкивается от шара и перемещается в направлении радиуса шара. Если бы шар был заряжен отрицательно, то пробный положительный заряд притягивался бы к шару, но опять перемещался бы в направлении радиуса.
В поле, созданном несколькими зарядами, перемещение пробного заряда происходило бы по более сложной траектории.
Перемещение пробного заряда q в электрическом поле происходит под действием силы поля (F). В электрическом поле можно провести линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением силы F, действующей па пробный заряд. Такие линии называются электрическими силовыми линиями (рис. 1).
Рисунок 1. Электрическая силовая линия.
Электрические силовые линии позволяют характеризовать электрическое поле. Ими пользуются при объяснении многих электрических явлений.
Следует твердо помнить об условности понятия «электрическая силовая линия». Это не что иное, как графическое изображение реально существующего электрического поля. Пользуясь таким условным изображением, можно наглядно и просто охарактеризовать направление движения зарядов в поле, уяснить характер взаимодействия заряженных тел и т. д.
В дальнейшем мы будем неоднократно использовать термин «электрические силовые линии», не оговаривая каждый раз его условность.
Для ряда простых случаев графическое построение электрического поля не вызывает затруднений. Нужно только помнить следующее:
— силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным (направление движения пробного положительного заряда);
— силовые линии начинаются на положительном заряде и кончаются на отрицательном;
— силовые линии должны быть направлены всегда перпендикулярно поверхности заряженного тела.
На рис. 2 и 3 показаны примеры графического изображения электрических полей. Направление силовых линий обозначается стрелками.
Рисунок 2. Силовые линии электрического поля, образованные точечным зарядам: слева-положительным, справа-отрицательным.
Рисунок 3. Силовые линии электрического поля, образованные двумя зарядам: слева-двумя разноименными, справа-двумя одноименными.
Следует запомнить, что положительный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Наоборот, отрицательный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
