Základní vlastnosti elektrického pole a jeho charakteristiky: intenzita, potenciál, indukce

Elektrický náboj na jednotku povrchu vodiče se nazývá hustota povrchového náboje σ:

Coulombův zákon.

Dva stacionární bodové náboje ve vakuu na sebe interagují silami směřujícími podél čáry, která je spojuje, úměrnými součinu těchto nábojů a nepřímo úměrnými druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi:

k — koeficient úměrnosti, který závisí na volbě soustavy měrných jednotek.

V soustavě SI se Coulombův zákon zapisuje jako

ε₀ — elektrická konstanta, ε₀ = 8,85 · 10⁻¹² C/(N m²).

Jednotkou elektrického náboje je 1 coulomb (C).

Intenzita elektrického pole.

Napětí E Elektrické pole je vektorová fyzikální veličina, která je silovou charakteristikou pole v daném bodě. Intenzita se rovná poměru síly, s níž pole působí na testovaný náboj q, k velikosti tohoto náboje:

Jednotkou napětí je 1 N/C.

Intenzita pole bodového náboje:

Princip superpozice.

Intenzita pole systému se rovná vektorovému součtu intenzit polí každého z nich:

Elektrické pole nekonečné vodivé roviny:

σ je povrchová hustota náboje, ε je permitivita látky.

Pole dvou opačně nabitých vodivých rovin:

Coulombův zákon v dielektrikách:

Práce elektrostatického pole.

Práce při pohybu náboje mezi dvěma body v elektrostatickém poli nezávisí na tvaru trajektorie a je určena pouze polohami těchto bodů. Jinými slovy: práce elektrostatického pole při pohybu náboje po uzavřeném obvodu je nulová. Takové pole se nazývá potenciál.

Potenciální rozdíl.

Potenciální rozdíl je skalární fyzikální veličina, která je energetickou charakteristikou elektrického pole.

Potenciální rozdíl neboli napětí je poměr práce pole, která přenese náboj mezi dvěma body, k velikosti tohoto náboje:

Jednotkou rozdílu potenciálů je 1 volt (V) = 1 J/C.

Vztah mezi intenzitou pole a rozdílem potenciálů:

l — vzdálenost mezi body pole.

Yomkost plochý kondenzátor:

S – plocha talíře, d — vzdálenost mezi nimi.

Kapacita koule o poloměru :

Energie pole v kondenzátoru:

V — objem prostoru, který pole zabírá.

Mechanika

Kinematika

Dvijenie tela po okruzhnosti

Dynamika

Ochranné zákony

Hydrostatika

Hydroaerodynamika

Oscilace a vlny

Prvky statiky

Molekulární fyzika

Základy molekulárně kinetické teorie ideálního plynu

Reálné plyny, kapaliny, pevné látky

Základy termodynamiky

elektřina a magnetismus

Některé veličiny popisující elektromagnetické jevy

Sériové a paralelní připojení

Elektrostatické pole

Zákony stejnosměrného proudu

Elektrický proud v různých prostředích

Elektromagnetická indukce

Elektromagnetické vibrace

Elektromagnetické vlny

Obecné vlastnosti vln

Teorie relativity

Prvky teorie relativity

Vzorce v matematice

Modul, stupeň, kořen

Modul, stupeň, kořen

Logaritmy, posloupnost

Logaritmy, posloupnost

Trigonometrie

Trigonometrie

Geometrické tvary

Trojúhelník, hranol, čtyřúhelník, kruh

Pyramida, kužel, válec, koule, koule

Násobitele a předpony

Elektrické pole je hmota, která zajišťuje interakci elektrických nábojů v ní. Může být generováno jak elektrickým nábojem, tak i měnícím se magnetickým tokem. V prvním případě se nazývá elektrostatické, ve druhém – vírové. Bez tohoto pole nemůže elektrický proud vzniknout, ale abyste věděli, jak vzniká, měli byste se seznámit s hlavními charakteristikami elektrického pole.

Povaha tohoto jevu

Elektrické pole není možné vidět očima: lze ho detekovat podle jeho účinku na nabitá tělesa. Zároveň takový účinek nevyžaduje přímý kontakt s nosiči potenciálu, ale má silovou povahu. Elektrizované vlasy tak budou přitahovány k jiným předmětům.

Pozorování elektrických polí ukazuje, že fungují podobně jako gravitační pole. To je popsáno Coulombovým zákonem, který obecně vypadá takto:

F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r²,

kde q₁ a q₂ jsou velikosti nábojů v coulombech, ε je permitivita média, ε₀ je elektrická konstanta rovna 8,854*10⁻¹² F/m, r je vzdálenost mezi náboji v metrech a F je síla, s níž náboje interagují, v newtonech.

Čím dále od středu, tím menší bude vliv pole.

Pole lze graficky znázornit ve formě siločar. Jejich umístění bude záviset na geometrických vlastnostech nosiče. Existují dva typy polí:

1. Homogenní, když jsou siločáry vzájemně rovnoběžné. Ideálním případem je nekonečný počet rovnoběžných nabitých desek.
2. Nehomogenní, jehož zvláštním případem je pole kolem bodového nebo kulového náboje; jeho siločáry se radiálně rozbíhají od středu, pokud je kladné, a směrem ke středu, pokud je záporné.

Silové čáry elektrického pole indukovaného elektrickým nábojem nejsou uzavřené. Jsou uzavřené pouze ve vírovém poli, které se tvoří kolem měnícího se magnetického toku.

Toto jsou základní vlastnosti elektrického pole. Pro seznámení se s jeho charakteristikami stojí za zvážení nejjednodušší varianty – elektrostatického, které je tvořeno konstantními a stacionárními náboji. Pro větší pohodlí budou bodové, aby jejich obrysy nekomplikovaly výpočty. Testovací náboj, který se také objeví později, bude také bodový a nekonečně malý.

Klíčové vlastnosti

Lze je popsat pomocí matematických zákonů a některé lze vyjádřit graficky. Poslední uvedené charakteristiky jsou vektorové, tj. mají směr. To je důležité, protože při řešení praktických problémů je často nutné operovat nikoli s velikostí hodnoty, ale s projekcí vektoru na nějakou vybranou osu.

Hlavní parametry pole jsou:

Intenzita pole

Toto je silová charakteristika elektrického pole. Je to vektorová veličina, která charakterizuje sílu, s níž pole působí na náboj v daném bodě. Matematicky se to vyjadřuje následovně:

Pokud sem dosadíme vzorec Coulombova zákona, dostaneme:

Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².

V každém bodě pole je tedy jeho intenzita jiná a závisí na náboji, který vytváří, na podmínkách prostředí a na hodnotě nepřímo úměrné druhé mocnině vzdálenosti k bodu.

Pokud je pole vytvořeno dvěma náboji, výsledná intenzita se vypočítá graficky – sečtením vektorů intenzity z každého jednotlivého zdroje. Tato metoda se nazývá princip superpozice.

Potenciály a jejich rozdíly

Elektrické pole může vykonávat práci. Pokud se v poli pohybuje zkušební náboj, práce vykonaná elektrickým polem bude záviset na počáteční a konečné vzdálenosti od zkušebního náboje ke středu elektrického pole. To lze přirovnat k člověku, který se chystá skočit ze střechy. Když je ve výšce desátého patra, jeho potenciální energie bude rovna:

W = -GMm / Rr.

Nebo pokud vezmeme v úvahu proporcionalitu Země a člověka:

W=mgh.

Dokud člověk neskočí, má potenciální energii. Když konečně spadne, gravitační pole vykoná práci numericky rovnou výše uvedené hodnotě. Toto nezohledňuje horizontální pohyb – tuto práci vykonal sám zemřelý.

Elektrické pole funguje podobným způsobem. Zkušební náboj q₁ umístěný v něm má potenciální energii:

W = q₁q₀/4 πε ε₀r.

Při pohybu do jiného bodu, kdy je vzdálenost r jiná, pole vykoná práci rovnou:

A = W₁ – W₂ = q₁ q4 /4 π ε ε₀ r₁ – q₁ q₀ / XNUMX π ε ε₀ r₂.

Pokud z obou členů vybereme parametr, který se vztahuje přímo k poli, a nikoli k testovacímu náboji, bude to vypadat takto:

φ₁ = q₀ /4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.

A toto φ se nazývá potenciál pole v daném bodě. Na základě všech výše uvedených vzorců lze tuto hodnotu vyjádřit následovně:

φ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.

Práce, kterou pole vykoná, bude tedy vyjádřena následovně:

A = W₁ – W₂ = φ₁ q₁ – φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ – φ₂).

Výraz v závorkách se bude nazývat rozdíl potenciálů neboli napětí. Ukazuje, jakou práci pole vykoná, aby pohnulo testovacím nábojem.

A/q = (φ₁ — φ₂).

Jednotka této hodnoty, J/C, byla pojmenována Volt na počest vědce Alessandra Volty. Tato jednotka se také používá k měření dalších veličin v elektrostatice a elektrodynamice. Například intenzita pole se měří ve V/m.

Elektrická indukce

Tato hodnota charakterizuje elektrické pole, jak se říká, v jeho čisté formě. Ve skutečnosti se jedná o pole v různých prostředích, která mají určitou dielektrickou konstantu. Přestože se pro většinu látek jedná o tabulkovou hodnotu, v řadě případů není konstantní a její závislost na parametrech prostředí (teplota, vlhkost atd.) je nelineární.

Tento jev je typický pro Rochelleovu sůl, titaničitan barnatý, niobičnan lithný a řadu dalších.

Elektrická indukce se měří v C/m² a její hodnota se vyjadřuje vzorcem:

D = ε ε₀ E.

Toto je také vektorová veličina, jejíž směr se shoduje se směrem napětí.

Statické a vírové pole

Jak bylo zmíněno na začátku článku, kolem proměnného magnetického pole lze vytvořit elektrické pole. Dokonce se vytvoří proud, čehož lze dosáhnout dvěma způsoby:

• změnou intenzity magnetického pole procházejícího vodičovým obvodem v něm;
• změnou polohy samotného vodiče.

V tomto případě nemusí být vodič nutně uzavřený – proud v něm bude stále protékat.

Pro ilustraci rozdílů mezi statickým a vírovým polem lze sestavit tabulku.

Parametr	Elektrostatický	Vír
tvar siločar	OTEVŘENO	ZAVŘENO
co je vytvořeno	fixní poplatek	střídavý magnetický tok
zdroj napětí	účtovat	Ne
práce s uzavřenou smyčkou v pohybu	nula	vytváří indukované elektromotorické pole

Nelze říci, že první a druhé pole nejsou nijak propojeny. To není pravda. Ve skutečnosti funguje následující vzorec: stacionární náboj vytváří elektrostatické pole, které pohybuje nábojem ve vodiči; pohybující se náboj generuje konstantní magnetické pole. Pokud se náboj pohybuje nestálou rychlostí a směrem, magnetické pole se stává proměnným a vytváří sekundární elektrické pole. Elektrické pole a jeho vlastnosti tedy ovlivňují možnost existence magnetického pole a jeho parametry.