Cómo demostrar que el campo eléctrico es material. Campo electrostático

Un campo eléctrico, según conceptos físicos elementales, no es más que un tipo especial de entorno material que surge alrededor de cuerpos cargados e influye en la organización de la interacción entre dichos cuerpos a una determinada velocidad finita y en un espacio estrictamente limitado.

Desde hace tiempo se ha demostrado que puede surgir un campo eléctrico tanto en cuerpos estacionarios como en movimiento. El principal indicio de su presencia es su efecto sobre

Uno de los principales cuantitativos es el concepto de "intensidad de campo". En términos numéricos, este término significa la relación entre la fuerza que actúa directamente sobre una carga de prueba y la expresión cuantitativa de esta carga.

El hecho de que la carga sea de prueba significa que ella misma no participa en la creación de este campo y su valor es tan pequeño que no provoca ninguna distorsión de los datos originales. La intensidad del campo se mide en V/m, que convencionalmente es igual a N/C.

El famoso investigador inglés M. Faraday introdujo en el uso científico el método de representación gráfica del campo eléctrico. En su opinión, este tipo especial de materia debería representarse en el dibujo con líneas continuas. Posteriormente se las conoció como “líneas de intensidad del campo eléctrico” y su dirección, basada en leyes físicas básicas, coincide con la dirección de la intensidad.

Las líneas de fuerza son necesarias para mostrar características cualitativas de tensión como el espesor o la densidad. En este caso, la densidad de las líneas de tensión depende de su número por unidad de superficie. La imagen creada de las líneas de campo le permite determinar la expresión cuantitativa de la intensidad del campo en sus secciones individuales, así como descubrir cómo cambia.

El campo eléctrico de los dieléctricos tiene propiedades bastante interesantes. Como se sabe, los dieléctricos son sustancias en las que prácticamente no hay partículas cargadas libres, por lo que, como resultado, no son capaces de conducir. Tales sustancias deben incluir, en primer lugar, todos los gases, cerámica, porcelana, agua destilada, mica. , etc.

Para determinar la intensidad del campo en un dieléctrico, es necesario que pase un campo eléctrico a través de él. Bajo su influencia, las cargas unidas en el dieléctrico comienzan a desplazarse, pero no pueden salir de las fronteras de sus moléculas. El desplazamiento direccional implica que los cargados positivamente se desplazan a lo largo de la dirección del campo eléctrico y los cargados negativamente, en contra. Como resultado de estas manipulaciones, aparece un nuevo campo eléctrico dentro del dieléctrico, cuya dirección es directamente opuesta a la exterior. Este campo interno debilita notablemente el externo, por lo que la tensión de este último cae.

La intensidad del campo es su característica cuantitativa más importante, que es directamente proporcional a la fuerza con la que este tipo especial de materia actúa sobre una carga eléctrica externa. A pesar de que es imposible ver este valor, con la ayuda de un dibujo de líneas de tensión de campo puedes hacerte una idea de su densidad y dirección en el espacio.

Siempre recibimos señales sobre eventos distantes utilizando un medio intermedio. Por ejemplo, la comunicación telefónica se realiza mediante cables eléctricos, la transmisión de voz a distancia se produce mediante ondas sonoras que se propagan en el aire.

(El sonido no puede viajar en un espacio sin aire). Dado que la aparición de una señal es siempre un fenómeno material, su propagación asociada con la transferencia de energía de un punto a otro en el espacio sólo puede ocurrir en un entorno material.

La señal más importante de que un medio intermedio está involucrado en la transmisión de señales es la velocidad final de propagación de la señal desde la fuente hasta el observador, que depende de las propiedades del medio. Por ejemplo, el sonido en el aire viaja a una velocidad de unos 330 m/s.

Si existieran fenómenos en la naturaleza en los que la velocidad de propagación de las señales fuera infinitamente grande, es decir, una señal se transmitiera instantáneamente de un cuerpo a otro a cualquier distancia entre ellos, entonces esto significaría que los cuerpos podrían actuar entre sí a una velocidad determinada. distancia y en ausencia de materia entre ellos. En física, este efecto de los cuerpos entre sí se llama acción de largo alcance. Cuando los cuerpos actúan entre sí con la ayuda de la materia situada entre ellos, su interacción se denomina acción de corto alcance. En consecuencia, durante la interacción estrecha, el cuerpo afecta directamente el entorno material, y este entorno ya afecta a otro cuerpo.

Se necesita algún tiempo para transferir la influencia de un cuerpo a otro a través de un medio intermedio, ya que cualquier proceso en el entorno material se transmite de un punto a otro con una velocidad finita y bien definida. La justificación matemática de la teoría de la acción de corto alcance la dio el destacado científico inglés D. Maxwell (1831-1879). Dado que en la naturaleza no existen señales que se propaguen instantáneamente, a continuación nos adheriremos a la teoría de corto alcance.

En algunos casos, la propagación de señales se produce a través de la materia, por ejemplo, la propagación del sonido en el aire. En otros casos, la sustancia no participa directamente en la transmisión de señales; por ejemplo, la luz del Sol llega a la Tierra a través de un espacio sin aire. Luego la materia no existe sólo en forma de sustancia.

En los casos en que el impacto de los cuerpos entre sí puede ocurrir a través de un espacio sin aire, el medio material que transmite este impacto se llama campo. Entonces, ¿la materia existe en forma de sustancia y en forma de? campos. Dependiendo del tipo de fuerzas que actúan entre cuerpos, los campos pueden ser de diferentes tipos. El campo que transmite la influencia de un cuerpo sobre otro de acuerdo con la ley de la gravitación universal se llama campo gravitacional. El campo que transmite el efecto de una carga eléctrica estacionaria sobre otra carga estacionaria de acuerdo con la ley de Coulomb se llama campo electrostático o eléctrico.

La experiencia ha demostrado que las señales eléctricas se propagan en espacios sin aire a una velocidad muy alta pero finita, que es de aproximadamente 300.000 km/s (§ 27.7). Este

demuestra que el campo eléctrico es la misma realidad física que la materia. El estudio de las propiedades del campo hizo posible transferir energía a distancia utilizando el campo y utilizarla para las necesidades de la humanidad. Un ejemplo es el efecto de las comunicaciones por radio, la televisión, los láseres, etc. Sin embargo, muchas propiedades de este campo han sido poco estudiadas o aún no se conocen. El estudio de las propiedades físicas del campo y la interacción entre el campo y la materia es uno de los problemas científicos más importantes de la física moderna.

Cualquier carga eléctrica crea un campo eléctrico en el espacio, con la ayuda del cual interactúa con otras cargas. Un campo eléctrico sólo actúa sobre cargas eléctricas. Por lo tanto, tal campo sólo puede detectarse de una manera: introduciendo una carga de prueba en el punto que nos interesa del espacio. Si hay un campo en ese punto, entonces actuará sobre él una fuerza eléctrica.

Cuando se examina el campo con una carga de prueba, se cree que su presencia no distorsiona el campo en estudio. Esto significa que la magnitud de la carga de prueba debe ser muy pequeña en comparación con las cargas que crean el campo. Se acordó utilizar una carga positiva como carga de prueba.

De la ley de Coulomb se deduce que el valor absoluto de la fuerza de interacción entre cargas eléctricas disminuye al aumentar la distancia entre ellas, pero nunca desaparece por completo. Esto significa que, teóricamente, el campo de carga eléctrica se extiende hasta el infinito. Sin embargo, en la práctica creemos que el campo está presente sólo cuando una fuerza notable actúa sobre la carga de prueba.

Observemos también que cuando una carga se mueve, su campo también se mueve con ella. Cuando la carga se elimina tanto que la fuerza eléctrica sobre la carga de prueba en cualquier punto del espacio prácticamente no tiene efecto, decimos que el campo ha desaparecido, aunque en realidad se ha movido a otros puntos del espacio.

La acción de unos cuerpos cargados sobre otros cuerpos cargados se realiza sin su contacto directo, a través de un campo eléctrico.

El campo eléctrico es material. Existe independientemente de nosotros y de nuestro conocimiento sobre él.

Un campo eléctrico es creado por cargas eléctricas y las cargas eléctricas lo detectan mediante la acción de una determinada fuerza sobre ellas.

El campo eléctrico se propaga a una velocidad terminal de 300.000 km/s en el vacío.

Dado que una de las principales propiedades del campo eléctrico es su efecto sobre partículas cargadas con una determinada fuerza, para introducir características cuantitativas del campo es necesario colocar un pequeño cuerpo con una carga q (carga de prueba) en el punto del espacio que se está estudió. Una fuerza actuará sobre este cuerpo desde el campo.

Si cambia el tamaño de la carga de prueba, por ejemplo, en un factor de dos, la fuerza que actúa sobre ella también cambiará en un factor de dos.

Cuando el valor de la carga de prueba cambia en un factor de n, la fuerza que actúa sobre la carga también cambia en un factor de n.

La relación entre la fuerza que actúa sobre una carga de prueba colocada en un punto dado del campo y la magnitud de esta carga es un valor constante y no depende ni de esta fuerza, ni de la magnitud de la carga, ni de si hay cualquier cargo. Esta relación se indica con una letra y se toma como la fuerza característica del campo eléctrico. La cantidad física correspondiente se llama intensidad del campo eléctrico .

La tensión muestra cuánta fuerza ejerce el campo eléctrico sobre una unidad de carga colocada en un punto determinado del campo.

Para encontrar la unidad de tensión, debes sustituir las unidades de fuerza - 1 N y carga - 1 C en la ecuación definitoria de tensión. Obtenemos: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.

Para mayor claridad, los campos eléctricos en los dibujos se representan mediante líneas de campo.

Un campo eléctrico puede realizar trabajo para mover una carga de un punto a otro. Por eso, Una carga colocada en un punto dado del campo tiene una reserva de energía potencial..

Las características energéticas del campo se pueden introducir de forma similar a la introducción de la característica de fuerza.

Cuando cambia el tamaño de la carga de prueba, no solo cambia la fuerza que actúa sobre ella, sino también la energía potencial de esta carga. La relación entre la energía de la carga de prueba ubicada en un punto dado del campo y el valor de esta carga es un valor constante y no depende ni de la energía ni de la carga.

Para obtener una unidad de potencial, es necesario sustituir las unidades de energía - 1 J y carga - 1 C en la ecuación definitoria de potencial. Obtenemos: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.

Esta unidad tiene su propio nombre: 1 voltio.

El potencial de campo de una carga puntual es directamente proporcional a la magnitud de la carga que crea el campo e inversamente proporcional a la distancia desde la carga a un punto determinado del campo:

Los campos eléctricos en los dibujos también se pueden representar utilizando superficies de igual potencial, llamadas superficies equipotenciales .

Cuando una carga eléctrica se mueve desde un punto con un potencial a un punto con otro potencial, se realiza trabajo.

Una cantidad física igual a la relación entre el trabajo realizado para mover una carga de un punto a otro en el campo y el valor de esta carga se llama voltaje electrico :

El voltaje muestra cuánto trabajo realiza un campo eléctrico al mover una carga de 1 C de un punto del campo a otro.

La unidad de voltaje, así como de potencial, es 1 V.

El voltaje entre dos puntos de campo ubicados a una distancia d entre sí está relacionado con la intensidad del campo:

En un campo eléctrico uniforme, el trabajo de mover una carga de un punto del campo a otro no depende de la forma de la trayectoria y está determinado únicamente por la magnitud de la carga y la diferencia de potencial entre los puntos del campo.

Según la teoría de la acción de corto alcance, existe un campo eléctrico alrededor de cada carga. Un campo eléctrico es un objeto material, existe constantemente en el espacio y es capaz de actuar sobre otras cargas. Un campo eléctrico se propaga por el espacio a la velocidad de la luz. Una cantidad física igual a la relación entre la fuerza con la que actúa el campo eléctrico sobre una carga de prueba (una pequeña carga puntual positiva que no afecta la configuración del campo) y el valor de esta carga se llama intensidad de campo eléctrico. Utilizando la ley de Coulomb es posible obtener una fórmula para la intensidad del campo creado por la carga. q en la distancia r de cargo . La intensidad del campo no depende de la carga sobre la que actúa. Las líneas de tensión comienzan en cargas positivas y terminan en cargas negativas, o llegan al infinito. Un campo eléctrico cuya intensidad es la misma para todos en cualquier punto del espacio se llama campo eléctrico uniforme. El campo entre dos placas metálicas paralelas con cargas opuestas puede considerarse aproximadamente uniforme. Con distribución uniforme de carga. q sobre la superficie del área S la densidad de carga superficial es Para un plano infinito con densidad de carga superficial s, la intensidad del campo es la misma en todos los puntos del espacio y es igual a .Diferencia de potencial.

Cuando una carga es movida por un campo eléctrico a lo largo de una distancia, el trabajo realizado es igual a . Como en el caso del trabajo de la gravedad, el trabajo de la fuerza de Coulomb no depende de la trayectoria de la carga. Cuando la dirección del vector de desplazamiento cambia en 180 0, el trabajo de las fuerzas del campo cambia de signo al contrario. Por tanto, el trabajo realizado por las fuerzas del campo electrostático cuando una carga se mueve a lo largo de un circuito cerrado es cero. Un campo cuyo trabajo de fuerzas a lo largo de una trayectoria cerrada es cero se llama campo potencial.

Como un cuerpo de masa metro en un campo de gravedad tiene energía potencial proporcional a la masa del cuerpo, una carga eléctrica en un campo electrostático tiene energía potencial wp, proporcional a la carga. El trabajo realizado por las fuerzas del campo electrostático es igual al cambio en la energía potencial de la carga, tomado con el signo opuesto. En un punto de un campo electrostático, diferentes cargas pueden tener diferentes energías potenciales. Pero la relación entre energía potencial y carga en un punto dado es un valor constante. Esta cantidad física se llama potencial de campo eléctrico, a partir del cual la energía potencial de una carga es igual al producto del potencial en un punto dado por la carga. El potencial es una cantidad escalar; el potencial de varios campos es igual a la suma de los potenciales de estos campos. La medida del cambio de energía durante la interacción de los cuerpos es el trabajo. Al mover una carga, el trabajo realizado por las fuerzas del campo electrostático es igual al cambio de energía con signo opuesto, por lo tanto. Porque el trabajo depende de la diferencia de potencial y no depende de la trayectoria entre ellos, entonces la diferencia de potencial puede considerarse una característica energética del campo electrostático. Si el potencial a una distancia infinita de la carga se toma igual a cero, entonces a una distancia r a partir de la carga está determinada por la fórmula