Kako dokazati da je električno polje materijalno. Elektrostatičko polje

Električno polje, prema elementarnim fizikalnim pojmovima, nije ništa drugo nego posebna vrsta materijalnog okruženja koje nastaje oko nabijenih tijela i utječe na organizaciju interakcije između takvih tijela određenom konačnom brzinom i u strogo ograničenom prostoru.

Odavno je dokazano da se električno polje može pojaviti iu stacionarnim iu pokretnim tijelima. Glavni pokazatelj njegove prisutnosti je njezin učinak na

Jedan od glavnih kvantitativnih je koncept "snage polja". U numeričkom smislu, ovaj izraz označava omjer sile koja djeluje na ispitni naboj izravno i kvantitativnog izraza ovog naboja.

Činjenica da je naboj testni znači da on sam ne sudjeluje u stvaranju ovog polja, a njegova vrijednost je toliko mala da ne dovodi do iskrivljenja izvornih podataka. Jačina polja se mjeri u V/m, što je konvencionalno jednako N/C.

Poznati engleski istraživač M. Faraday uveo je u znanstvenu upotrebu metodu grafičkog prikazivanja električnog polja. Po njegovom mišljenju, ova posebna vrsta materije trebala bi biti prikazana na crtežu kao kontinuirane linije. Kasnije su postale poznate kao "linije intenziteta električnog polja", a njihov smjer, na temelju osnovnih fizikalnih zakona, podudara se sa smjerom intenziteta.

Linije sile su potrebne da pokažu takve kvalitativne karakteristike napetosti kao što su debljina ili gustoća. U ovom slučaju gustoća napetih linija ovisi o njihovom broju po jedinici površine. Stvorena slika linija polja omogućuje vam da odredite kvantitativni izraz jakosti polja u njegovim pojedinačnim dijelovima, kao i da saznate kako se mijenja.

Električno polje dielektrika ima prilično zanimljiva svojstva. Kao što je poznato, dielektrici su tvari u kojima praktički nema slobodnih nabijenih čestica, pa zbog toga nisu sposobni provoditi. U takve tvari treba uključiti prije svega sve plinove, keramiku, porculan, destiliranu vodu, tinjac. itd.

Da bi se odredila jakost polja u dielektriku, potrebno je kroz njega provući električno polje. Pod njegovim utjecajem, vezani naboji u dielektriku počinju se pomicati, ali ne mogu napustiti granice svojih molekula. Smjerni pomak podrazumijeva da se pozitivno nabijeni pomiču duž smjera električnog polja, a negativno nabijeni - suprotno. Kao rezultat ovih manipulacija, unutar dielektrika pojavljuje se novo električno polje, čiji je smjer izravno suprotan vanjskom. Ovo unutarnje polje osjetno slabi vanjsko, stoga napetost potonjeg pada.

Jakost polja je njegova najvažnija kvantitativna karakteristika, koja je izravno proporcionalna sili kojom ova posebna vrsta tvari djeluje na vanjski električni naboj. Unatoč činjenici da je nemoguće vidjeti ovu vrijednost, uz pomoć crteža polja napetosti možete dobiti predodžbu o njegovoj gustoći i smjeru u prostoru.

Uvijek primamo signale o udaljenim događajima pomoću srednjeg medija. Na primjer, telefonska komunikacija se odvija pomoću električnih žica, prijenos govora na daljinu odvija se pomoću zvučnih valova koji se šire u zraku

(zvuk ne može putovati u bezzračnom prostoru). Budući da je pojava signala uvijek materijalna pojava, njegovo širenje, povezano s prijenosom energije od točke do točke u prostoru, može se dogoditi samo u materijalnom okruženju.

Najvažniji znak da je posredni medij uključen u prijenos signala je konačna brzina širenja signala od izvora do promatrača, koja ovisi o svojstvima medija. Na primjer, zvuk u zraku putuje brzinom od oko 330 m/s.

Kad bi u prirodi postojale pojave u kojima je brzina širenja signala beskonačno velika, tj. signal bi se trenutno prenosio s jednog tijela na drugo na bilo kojoj udaljenosti između njih, to bi značilo da tijela mogu djelovati jedno na drugo na udaljenosti i u nedostatku materije između njih. U fizici se taj učinak tijela jedno na drugo naziva djelovanjem velikog dometa. Kada tijela djeluju jedno na drugo uz pomoć materije koja se nalazi između njih, njihovo međudjelovanje naziva se djelovanjem kratkog dometa. Posljedično, tijekom bliske interakcije, tijelo izravno utječe na materijalnu okolinu, a ta okolina već utječe na drugo tijelo.

Za prijenos utjecaja jednog tijela na drugo kroz posredni medij potrebno je neko vrijeme, budući da se svi procesi u materijalnom okruženju prenose od točke do točke konačnom i točno definiranom brzinom. Matematičko opravdanje teorije kratkog dometa dao je izvrsni engleski znanstvenik D. Maxwell (1831.-1879.). Budući da signali koji se šire trenutno ne postoje u prirodi, u nastavku ćemo se pridržavati teorije kratkog dometa.

U nekim slučajevima, širenje signala događa se kroz materiju, na primjer, širenje zvuka u zraku. U drugim slučajevima tvar nije izravno uključena u prijenos signala, na primjer, svjetlost sa Sunca do Zemlje dopire kroz bezzračni prostor. Dakle, materija postoji ne samo u obliku supstancije.

U slučajevima kada se udar tijela jedno o drugo može dogoditi kroz bezzračni prostor, materijalni medij koji prenosi taj udar naziva se polje. Dakle, materija postoji u obliku supstance iu obliku? polja. Ovisno o vrsti sila koje djeluju između tijela, polja mogu biti različitih vrsta. Polje koje prenosi utjecaj jednog tijela na drugo u skladu sa zakonom univerzalne gravitacije naziva se gravitacijsko polje. Polje koje prenosi učinak jednog stacionarnog električnog naboja na drugi stacionarni naboj u skladu s Coulombovim zakonom naziva se elektrostatičko ili električno polje.

Iskustvo je pokazalo da se električni signali šire u bezzračnom prostoru vrlo velikom, ali konačnom brzinom, koja iznosi približno 300 000 km/s (§ 27.7). Ovaj

dokazuje da je električno polje ista fizička stvarnost kao i materija. Proučavanje svojstava polja omogućilo je prijenos energije na daljinu pomoću polja i njezino korištenje za potrebe čovječanstva. Primjer je djelovanje radiokomunikacija, televizije, lasera itd. Međutim, mnoga su svojstva polja slabo proučena ili još nisu poznata. Proučavanje fizikalnih svojstava polja i međudjelovanja polja i materije jedan je od najvažnijih znanstvenih problema moderne fizike.

Svaki električni naboj stvara električno polje u prostoru, uz pomoć kojeg dolazi u interakciju s drugim nabojima. Električno polje djeluje samo na električne naboje. Stoga se takvo polje može detektirati samo na jedan način: uvođenjem probnog naboja u točku prostora koja nas zanima.Ako u toj točki postoji polje, tada će na njega djelovati električna sila.

Kada se polje ispituje testnim nabojem, vjeruje se da njegova prisutnost ne iskrivljuje polje koje se proučava. To znači da veličina ispitnog naboja mora biti vrlo mala u usporedbi s nabojima koji stvaraju polje. Dogovoreno je koristiti pozitivni naboj kao testni naboj.

Iz Coulombovog zakona proizlazi da apsolutna vrijednost sile međudjelovanja između električnih naboja opada s povećanjem udaljenosti između njih, ali nikada ne nestaje u potpunosti. To znači da se, teoretski, polje električnog naboja proteže do beskonačnosti. Međutim, u praksi vjerujemo da je polje prisutno samo tamo gdje na ispitni naboj djeluje primjetna sila.

Napomenimo također da kada se naboj kreće, njegovo polje se također kreće s njim. Kada se naboj toliko ukloni da električna sila na ispitni naboj u bilo kojoj točki prostora nema praktički nikakav učinak, kažemo da je polje nestalo, iako se u stvarnosti preselilo na druge točke u prostoru.

Djelovanje jednih nabijenih tijela na druga nabijena tijela odvija se bez njihovog neposrednog kontakta, kroz električno polje.

Električno polje je materijalno. Ono postoji neovisno o nama i našem znanju o njemu.

Električno polje stvaraju električni naboji i otkrivaju ga električni naboji djelovanjem određene sile na njih.

Električno polje se u vakuumu širi krajnjom brzinom od 300 000 km/s.

Budući da je jedno od glavnih svojstava električnog polja njegovo djelovanje na nabijene čestice određenom silom, za uvođenje kvantitativnih karakteristika polja potrebno je postaviti malo tijelo s nabojem q (probni naboj) u točku u prostoru gdje studirao. Na to tijelo će iz polja djelovati sila

Ako promijenite veličinu probnog naboja, na primjer, za faktor dva, sila koja djeluje na njega također će se promijeniti za faktor dva.

Kada se vrijednost ispitnog naboja promijeni za faktor n, sila koja djeluje na naboj također se promijeni za faktor n.

Omjer sile koja djeluje na probni naboj postavljen na danu točku polja i veličine tog naboja je stalna vrijednost i ne ovisi ni o ovoj sili, ni o veličini naboja, ni o tome postoji li bilo kakva optužba. Ovaj omjer se označava slovom i uzima se kao karakteristika sile električnog polja. Odgovarajuća fizikalna veličina naziva se jakost električnog polja .

Napetost pokazuje kolikom silom električno polje djeluje na jedinični naboj smješten u danoj točki polja.

Da biste pronašli jedinicu napetosti, trebate zamijeniti jedinice za silu - 1 N i naboj - 1 C u definirajuću jednadžbu napetosti. Dobivamo: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.

Radi jasnoće, električna polja na crtežima prikazana su pomoću linija polja.

Električno polje može izvršiti rad na premještanju naboja s jedne točke na drugu. Stoga, naboj postavljen na danu točku polja ima rezervu potencijalne energije.

Energetske karakteristike polja mogu se unijeti slično uvođenju karakteristike sile.

Kada se veličina probnog naboja promijeni, mijenja se ne samo sila koja na njega djeluje, već i potencijalna energija tog naboja. Omjer energije ispitnog naboja koji se nalazi u određenoj točki polja i vrijednosti ovog naboja je stalna vrijednost i ne ovisi ni o energiji ni o naboju.

Da bi se dobila jedinica potencijala, potrebno je zamijeniti jedinice energije - 1 J i naboja - 1 C u definirajuću jednadžbu potencijala. Dobivamo: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.

Ova jedinica ima svoje ime: 1 volt.

Potencijal polja točkastog naboja izravno je proporcionalan veličini naboja koji stvara polje i obrnuto proporcionalan udaljenosti od naboja do dane točke u polju:

Električna polja na crtežima također se mogu prikazati pomoću površina jednakog potencijala, tzv ekvipotencijalne površine .

Kada se električni naboj pomakne od točke s jednim potencijalom do točke s drugim potencijalom, rad je obavljen.

Fizička veličina jednaka omjeru rada obavljenog da se naboj premjesti s jedne točke polja na drugu i vrijednosti tog naboja naziva se električni napon :

Napon pokazuje koliki rad obavi električno polje kada naboj od 1 C premjesti s jedne točke polja na drugu.

Jedinica za napon, kao i za potencijal, je 1 V.

Napon između dvije točke polja koje se nalaze na udaljenosti d jedna od druge povezan je s jakošću polja:

U jednoličnom električnom polju rad premještanja naboja s jedne točke polja na drugu ne ovisi o obliku putanje i određen je samo veličinom naboja i razlikom potencijala između točaka polja.

Na temelju teorije djelovanja kratkog dometa, oko svakog naboja postoji električno polje. Električno polje je materijalni objekt, stalno postoji u prostoru i sposobno je djelovati na druge naboje. Električno polje se širi prostorom brzinom svjetlosti. Fizička veličina jednaka omjeru sile kojom električno polje djeluje na ispitni naboj (točkasti pozitivan mali naboj koji ne utječe na konfiguraciju polja) i vrijednosti tog naboja naziva se jakost električnog polja. Pomoću Coulombovog zakona moguće je dobiti formulu za jakost polja koju stvara naboj q na daljinu r od naplate . Jačina polja ne ovisi o naboju na koji djeluje. Linije napetosti počinju na pozitivnim nabojima, a završavaju na negativnim nabojima ili idu u beskonačnost. Električno polje čija je jakost jednaka za sve u bilo kojoj točki prostora naziva se jednolično električno polje. Polje između dvije paralelne suprotno nabijene metalne ploče može se smatrati približno jednolikim. S ravnomjernom raspodjelom naboja q preko površine područja S površinska gustoća naboja je . Za beskonačnu ravninu s površinskom gustoćom naboja s, jakost polja je ista u svim točkama prostora i jednaka je .Potencijalna razlika.

Kada se naboj premjesti pomoću električnog polja na udaljenost, obavljeni rad je jednak . Kao i u slučaju rada sile teže, rad Coulombove sile ne ovisi o putanji naboja. Kada se smjer vektora pomaka promijeni za 180 0, rad sila polja mijenja predznak u suprotan. Dakle, rad sila elektrostatičkog polja pri pomicanju naboja po zatvorenom krugu jednak je nuli. Polje čiji je rad sila na zatvorenom putu jednak nuli naziva se potencijalno polje.

Baš kao tijelo mase m u gravitacijskom polju ima potencijalnu energiju proporcionalnu masi tijela, električni naboj u elektrostatičkom polju ima potencijalnu energiju Wp, proporcionalno naboju. Rad sila elektrostatskog polja jednak je promjeni potencijalne energije naboja, uzetoj s suprotnim predznakom. U jednoj točki elektrostatičkog polja različiti naboji mogu imati različite potencijalne energije. Ali omjer potencijalne energije i naboja za danu točku je konstantna vrijednost. Ova fizikalna veličina naziva se potencijal električnog polja, iz kojeg je potencijalna energija naboja jednaka umnošku potencijala u danoj točki i naboja. Potencijal je skalarna veličina, potencijal više polja jednak je zbroju potencijala tih polja. Mjera promjene energije tijekom međusobnog djelovanja tijela je rad. Pri pomicanju naboja rad sila elektrostatskog polja jednak je promjeni energije suprotnog predznaka, dakle. Jer rad ovisi o razlici potencijala, a ne ovisi o putanji između njih, tada se razlika potencijala može smatrati energetskom karakteristikom elektrostatskog polja. Ako se potencijal na beskonačnoj udaljenosti od naboja uzme jednak nuli, tada na udaljenosti r iz naboja određuje se formulom