Cum să demonstrezi că câmpul electric este material. Câmp electrostatic

Un câmp electric, conform conceptelor fizice elementare, nu este altceva decât un tip special de mediu material care ia naștere în jurul corpurilor încărcate și influențează organizarea interacțiunii dintre astfel de corpuri la o anumită viteză finită și într-un spațiu strict limitat.

S-a dovedit de mult că un câmp electric poate apărea atât în ​​corpurile staționare, cât și în cele în mișcare. Principalul indiciu al prezenței sale este efectul său asupra

Unul dintre principalele cantitative este conceptul de „intensitatea câmpului”. În termeni numerici, acest termen înseamnă raportul dintre forța care acționează direct asupra unei sarcini de testare și expresia cantitativă a acestei sarcini.

Faptul că taxa este testată înseamnă că ea însăși nu participă la crearea acestui câmp, iar valoarea sa este atât de mică încât nu duce la nicio distorsiune a datelor originale. Intensitatea câmpului este măsurată în V/m, care este în mod convențional egal cu N/C.

Celebrul cercetător englez M. Faraday a introdus în uz științific metoda reprezentării grafice a câmpului electric. În opinia sa, acest tip special de materie ar trebui să fie reprezentat în desen ca linii continue. Ulterior, ele au devenit cunoscute ca „linii de intensitate a câmpului electric”, iar direcția lor, bazată pe legile fizice de bază, coincide cu direcția intensității.

Liniile de forță sunt necesare pentru a arăta astfel de caracteristici calitative ale tensiunii, cum ar fi grosimea sau densitatea. În acest caz, densitatea liniilor de tensiune depinde de numărul lor pe unitate de suprafață. Imaginea creată a liniilor de câmp vă permite să determinați expresia cantitativă a intensității câmpului în secțiunile sale individuale, precum și să aflați cum se modifică.

Câmpul electric al dielectricilor are proprietăți destul de interesante. După cum se știe, dielectricii sunt substanțe în care practic nu există particule încărcate libere, prin urmare, nu sunt capabile să conducă.Asemenea substanțe ar trebui să includă, în primul rând, toate gazele, ceramica, porțelanul, apă distilată, mica. , etc.

Pentru a determina intensitatea câmpului într-un dielectric, un câmp electric trebuie să fie trecut prin el. Sub influența sa, sarcinile legate în dielectric încep să se deplaseze, dar nu sunt capabile să părăsească limitele moleculelor lor. Deplasarea direcțională implică faptul că cele încărcate pozitiv sunt deplasate de-a lungul direcției câmpului electric, iar cele încărcate negativ - împotriva. Ca urmare a acestor manipulări, în interiorul dielectricului apare un nou câmp electric, a cărui direcție este direct opusă celei externe. Acest câmp intern îl slăbește vizibil pe cel extern, prin urmare, tensiunea acestuia din urmă scade.

Intensitatea câmpului este cea mai importantă caracteristică cantitativă a sa, care este direct proporțională cu forța cu care acest tip special de materie acționează asupra unei sarcini electrice externe. În ciuda faptului că este imposibil să vedeți această valoare, cu ajutorul unui desen al liniilor de tensiune de câmp vă puteți face o idee despre densitatea și direcția acesteia în spațiu.

Primim întotdeauna semnale despre evenimente îndepărtate folosind un mediu intermediar. De exemplu, comunicarea telefonică se realizează folosind fire electrice, transmisia vorbirii la distanță are loc folosind undele sonore care se propagă în aer

(sunetul nu poate circula în spațiu fără aer). Deoarece apariția unui semnal este întotdeauna un fenomen material, propagarea lui, asociată cu transferul de energie dintr-un punct în punct al spațiului, poate avea loc numai într-un mediu material.

Cel mai important semn că un mediu intermediar este implicat în transmiterea semnalului este viteza finală de propagare a semnalului de la sursă la observator, care depinde de proprietățile mediului. De exemplu, sunetul în aer circulă cu o viteză de aproximativ 330 m/s.

Dacă ar exista fenomene în natură în care viteza de propagare a semnalelor ar fi infinit de mare, adică un semnal ar fi transmis instantaneu de la un corp la altul la orice distanță dintre ele, atunci aceasta ar însemna că corpurile ar putea acționa unul asupra celuilalt la o distanta si in absenta materiei intre ele. În fizică, acest efect al corpurilor unul asupra celuilalt se numește acțiune pe distanță lungă. Când corpurile acționează unul asupra celuilalt cu ajutorul materiei situate între ele, interacțiunea lor se numește acțiune cu rază scurtă de acțiune. În consecință, în timpul interacțiunii strânse, corpul afectează direct mediul material, iar acest mediu afectează deja un alt corp.

Este nevoie de ceva timp pentru a transfera influența unui corp la altul printr-un mediu intermediar, deoarece orice procese din mediul material sunt transmise de la un punct la altul cu o viteză finită și bine definită. Justificarea matematică a teoriei acțiunii cu rază scurtă a fost dată de remarcabilul om de știință englez D. Maxwell (1831-1879). Deoarece semnalele care se propagă instantaneu nu există în natură, în cele ce urmează vom adera la teoria cu rază scurtă.

În unele cazuri, propagarea semnalelor are loc prin materie, de exemplu, propagarea sunetului în aer. În alte cazuri, substanța nu este direct implicată în transmiterea semnalelor, de exemplu, lumina de la Soare ajunge pe Pământ prin spațiul fără aer. Prin urmare, materia există nu numai sub formă de substanță.

În cazurile în care impactul corpurilor unul asupra celuilalt poate avea loc prin spațiu fără aer, mediul material care transmite acest impact se numește câmp. Astfel, materia există sub formă de substanţă şi sub formă de? câmpuri. În funcție de tipul de forțe care acționează între corpuri, câmpurile pot fi de diferite tipuri. Câmpul care transmite influența unui corp asupra altuia în conformitate cu legea gravitației universale se numește câmp gravitațional. Câmpul care transmite efectul unei sarcini electrice staționare asupra altei sarcini staționare în conformitate cu legea lui Coulomb se numește câmp electrostatic sau electric.

Experiența a arătat că semnalele electrice se propagă în spațiul fără aer cu o viteză foarte mare, dar finită, care este de aproximativ 300.000 km/s (§ 27.7). Acest

demonstrează că câmpul electric este aceeași realitate fizică ca și materia. Studiul proprietăților câmpului a făcut posibil transferul energiei la distanță folosind câmpul și folosirea acesteia pentru nevoile umanității. Un exemplu este efectul comunicațiilor radio, televiziunii, laserelor etc. Cu toate acestea, multe proprietăți ale domeniului au fost slab studiate sau nu sunt încă cunoscute. Studiul proprietăților fizice ale câmpului și al interacțiunii dintre câmp și materie este una dintre cele mai importante probleme științifice ale fizicii moderne.

Orice sarcină electrică creează un câmp electric în spațiu, cu ajutorul căruia interacționează cu alte sarcini. Un câmp electric acționează numai asupra sarcinilor electrice. Prin urmare, un astfel de câmp poate fi detectat într-un singur mod: prin introducerea unei sarcini de test în punctul din spațiu care ne interesează.Dacă există un câmp în acest punct, atunci o forță electrică va acționa asupra lui.

Când un câmp este examinat cu o încărcătură de testare, se crede că prezența lui nu denaturează câmpul studiat. Aceasta înseamnă că mărimea sarcinii de testare trebuie să fie foarte mică în comparație cu sarcinile care creează câmpul. S-a convenit să se utilizeze o sarcină pozitivă ca sarcină de testare.

Din legea lui Coulomb rezultă că valoarea absolută a forței de interacțiune dintre sarcinile electrice scade odată cu creșterea distanței dintre ele, dar nu dispare niciodată complet. Aceasta înseamnă că, teoretic, câmpul de sarcină electrică se extinde la infinit. Cu toate acestea, în practică credem că câmpul este prezent doar acolo unde o forță vizibilă acționează asupra sarcinii de testare.

Să observăm, de asemenea, că atunci când o sarcină se mișcă, câmpul ei se mișcă și odată cu ea. Când sarcina este îndepărtată atât de mult încât forța electrică asupra sarcinii de testare în orice punct din spațiu practic nu are efect, spunem că câmpul a dispărut, deși în realitate s-a mutat în alte puncte din spațiu.

Actiunea unor corpuri incarcate asupra altor corpuri incarcate se realizeaza fara contactul lor direct, printr-un camp electric.

Câmpul electric este material. Ea există independent de noi și de cunoștințele noastre despre el.

Un câmp electric este creat de sarcini electrice și este detectat de sarcini electrice prin acțiunea unei anumite forțe asupra acestora.

Câmpul electric se propagă la o viteză terminală de 300.000 km/s în vid.

Întrucât una dintre principalele proprietăți ale câmpului electric este efectul acestuia asupra particulelor încărcate cu o anumită forță, pentru a introduce caracteristicile cantitative ale câmpului este necesar să se plaseze un corp mic cu o sarcină q (sarcină de test) în punctul din spațiu fiind studiat. O forță va acționa asupra acestui corp din câmp

Dacă modificați dimensiunea încărcăturii de testare, de exemplu, cu un factor de doi, forța care acționează asupra acesteia se va modifica, de asemenea, cu un factor de doi.

Când valoarea sarcinii de testare se modifică cu un factor de n, forța care acționează asupra sarcinii se modifică și cu un factor de n.

Raportul dintre forța care acționează asupra unei sarcini de testare plasată într-un punct dat al câmpului și mărimea acestei sarcini este o valoare constantă și nu depinde nici de această forță, nici de mărimea sarcinii, nici de faptul dacă există orice taxă. Acest raport este notat cu o literă și este luat ca forță caracteristică câmpului electric. Mărimea fizică corespunzătoare se numește intensitatea câmpului electric .

Tensiunea arată cât de multă forță este exercitată de câmpul electric asupra unei unități de sarcină plasată într-un punct dat al câmpului.

Pentru a găsi unitatea de tensiune, trebuie să înlocuiți unitățile de forță - 1 N și încărcare - 1 C în ecuația definitorie a tensiunii. Se obține: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl.

Pentru claritate, câmpurile electrice din desene sunt reprezentate folosind linii de câmp.

Un câmp electric poate lucra pentru a muta o sarcină dintr-un punct în altul. Prin urmare, o sarcină plasată într-un punct dat din câmp are o rezervă de energie potenţială.

Caracteristicile energetice ale câmpului pot fi introduse în mod similar cu introducerea caracteristicii forței.

Când dimensiunea sarcinii de testare se modifică, nu numai forța care acționează asupra acesteia se modifică, ci și energia potențială a acestei sarcini. Raportul dintre energia sarcinii de testare situată într-un punct dat din câmp și valoarea acestei sarcini este o valoare constantă și nu depinde nici de energie, nici de sarcină.

Pentru a obține o unitate de potențial, este necesar să înlocuiți unitățile de energie - 1 J și încărcare - 1 C în ecuația definitorie a potențialului. Se obține: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.

Această unitate are propriul nume: 1 volt.

Potențialul de câmp al unei sarcini punctuale este direct proporțional cu mărimea sarcinii care creează câmpul și invers proporțional cu distanța de la sarcină la un punct dat din câmp:

Câmpurile electrice din desene pot fi reprezentate și folosind suprafețe de potențial egal, numite suprafete echipotentiale .

Când o sarcină electrică se deplasează dintr-un punct cu un potențial într-un punct cu alt potențial, se lucrează.

Se numește o mărime fizică egală cu raportul dintre munca efectuată pentru a muta o sarcină dintr-un punct în altul al câmpului și valoarea acestei sarcini. tensiune electrică :

Tensiunea arată cât de mult lucrează un câmp electric atunci când se deplasează o sarcină de 1 C dintr-un punct al câmpului în altul.

Unitatea de tensiune, precum și potențialul, este 1 V.

Tensiunea dintre două puncte de câmp situate la o distanță d unul de celălalt este legată de intensitatea câmpului:

Într-un câmp electric uniform, munca de mutare a unei sarcini dintr-un punct al câmpului în altul nu depinde de forma traiectoriei și este determinată doar de mărimea sarcinii și de diferența de potențial dintre punctele câmpului.

Pe baza teoriei acțiunii cu rază scurtă de acțiune, există un câmp electric în jurul fiecărei sarcini. Un câmp electric este un obiect material, există constant în spațiu și este capabil să acționeze asupra altor sarcini. Un câmp electric se propagă prin spațiu cu viteza luminii. O mărime fizică egală cu raportul dintre forța cu care acționează câmpul electric asupra unei sarcini de testare (o sarcină mică punctuală pozitivă care nu afectează configurația câmpului) și valoarea acestei sarcini se numește puterea câmpului electric. Folosind legea lui Coulomb este posibil să se obțină o formulă pentru intensitatea câmpului creat de sarcină q pe distanta r din sarcina . Intensitatea câmpului nu depinde de sarcina asupra căreia acţionează. Liniile de tensiune încep cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative sau merg la infinit. Un câmp electric a cărui putere este aceeași pentru toți în orice punct al spațiului se numește câmp electric uniform. Câmpul dintre două plăci metalice paralele încărcate opus poate fi considerat aproximativ uniform. Cu distribuție uniformă a încărcăturii q peste suprafata zonei S densitatea de sarcină la suprafață este . Pentru un plan infinit cu densitatea de sarcină la suprafață s, intensitatea câmpului este aceeași în toate punctele din spațiu și este egală cu .Diferenta potentiala.

Când o sarcină este mișcată de un câmp electric pe o distanță, munca efectuată este egală cu . Ca și în cazul muncii gravitației, munca forței Coulomb nu depinde de traiectoria sarcinii. Când direcția vectorului de deplasare se schimbă cu 180 0, munca forțelor câmpului schimbă semnul invers. Astfel, munca efectuată de forțele câmpului electrostatic atunci când se deplasează o sarcină de-a lungul unui circuit închis este zero. Un câmp al cărui lucru de forțe de-a lungul unei căi închise este zero se numește câmp potențial.

Exact ca un corp de masă mîntr-un câmp gravitațional are energie potențială proporțională cu masa corpului, o sarcină electrică într-un câmp electrostatic are energie potențială Wp, proporțional cu taxa. Lucrul efectuat de forțele câmpului electrostatic este egal cu modificarea energiei potențiale a sarcinii, luată cu semnul opus. La un moment dat într-un câmp electrostatic, sarcini diferite pot avea energii potențiale diferite. Dar raportul dintre energia potențială și încărcarea pentru un punct dat este o valoare constantă. Această mărime fizică se numește potențial de câmp electric, din care energia potențială a unei sarcini este egală cu produsul dintre potențialul dintr-un punct dat și sarcina. Potenţialul este o mărime scalară; potenţialul mai multor câmpuri este egal cu suma potenţialelor acestor câmpuri. Măsura schimbării energiei în timpul interacțiunii corpurilor este munca. Atunci când se deplasează o sarcină, munca efectuată de forțele câmpului electrostatic este egală cu modificarea energiei cu semnul opus, așadar. Deoarece munca depinde de diferența de potențial și nu depinde de traiectoria dintre ele, atunci diferența de potențial poate fi considerată o caracteristică energetică a câmpului electrostatic. Dacă potențialul la o distanță infinită de sarcină este luat egal cu zero, atunci la distanță r din sarcină se determină prin formula