Elektrické pole je hmota, která v něm zajišťuje interakci elektrických nábojů. Může být generován jak elektrickým nábojem, tak měnícím se magnetickým tokem. V prvním případě se nazývá elektrostatický, ve druhém – vír. Bez tohoto pole nemůže vzniknout elektrický proud, ale abyste věděli, jak k němu dochází, měli byste se seznámit se základními charakteristikami elektrického pole.
Obsah
- Povaha tohoto jevu
- Klíčové vlastnosti
- Síla pole
- Potenciály a jejich rozdíl
- elektrická indukce
- Statické a vírové pole
Povaha tohoto jevu
Není možné vidět elektrické pole očima: lze ho detekovat jeho působením na nabitá tělesa. Takový dopad přitom nevyžaduje přímý kontakt s potenciálními nosiči, ale má silovou povahu. Takže zelektrizované vlasy budou přitahovány k jiným objektům.
Pozorování elektrických polí ukazuje, že fungují podobně jako gravitační. 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 prostředí, ε₀ je elektrická konstanta rovna 8,854*10⁻¹² F/m, r je vzdálenost mezi náboji v metrech a F je síla, se kterou náboje interagují, v newtonech.
Tedy čím dále od středu, tím méně bude účinek pole cítit.
Pole lze zobrazit graficky ve formě siločar. Jejich umístění bude záviset na geometrických charakteristikách média. Existují dva typy polí:
- Homogenní, když jsou siločáry navzájem rovnoběžné. Ideálním případem jsou nekonečné paralelně nabité desky.
- Nehomogenní, jehož zvláštním případem je pole kolem bodového nebo kulového náboje; jeho siločáry se rozbíhají radiálně od středu, pokud jsou kladné, a směrem ke středu, pokud jsou záporné.
Siločáry elektrického pole indukované elektrickým nábojem nejsou uzavřené. Jsou uzavřeny pouze ve vírovém poli, které se vytváří kolem měnícího se magnetického toku.
To jsou základní vlastnosti elektrického pole. Abychom se seznámili s jeho charakteristikami, stojí za to zvážit nejjednodušší možnost – elektrostatický, který je tvořen konstantními a stacionárními náboji. Pro pohodlí budou bodové, takže jejich obrysy nekomplikují výpočty. Zkušební 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 charakteristiky jsou vektorové, to znamená, že mají směr. To je důležité, protože při řešení praktických problémů je často nutné pracovat nikoli s magnitudovým modulem, ale s promítáním vektoru na nějakou zvolenou osu.
Hlavní parametry pole jsou:
Síla pole
To je výkonová charakteristika elektrického pole. Veličina je vektor a charakterizuje sílu, kterou pole působí na náboj v určitém bodě. Matematicky je to vyjádřeno takto:
Pokud zde dosadíme vzorec Coulombova zákona, dostaneme:
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 tvořeno dvěma náboji, pak se výsledná intenzita vypočítá graficky – sečtením vektorů intenzity z každého jednotlivého zdroje. Tato metoda se nazývá princip superpozice.
Potenciály a jejich rozdíl
Elektrické pole může fungovat. Pokud se zkušební nálož pohybuje v terénu, pak práce vykonaná el. pole bude záviset na počáteční a konečné vzdálenosti od zkušebního náboje do středu e-mailu. pole. Můžete to porovnat s osobou, která se chystá skočit ze střechy. Zatímco je ve výšce desátého patra, jeho potenciální energie se bude rovnat:
W = -GMm/Rr.
Nebo když vezmeme v úvahu proporcionalitu země a člověka:
W=mgh.
Dokud člověk neskočil, má potenciální energii. Když konečně spadne, gravitační pole vykoná práci číselně rovnou výše uvedené hodnotě. To nebere v úvahu horizontální pohyb – tuto práci provedl sám zesnulý.
Podobně funguje elektrické pole. Zkušební náboj q₁ umístěný v něm má potenciální energii:
W = q₁q4 / XNUMX πε ε₀r.
Při přesunu 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 pojmů vybereme parametr, který se týká přímo pole, a nikoli zkušebního náboje, 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 bodě. Na základě všech výše napsaných vzorců můžeme tuto hodnotu vyjádřit takto:
φ₁ = WXNUMX/ql; φXNUMX = WXNUMX / ql.
Práce, kterou pole vykoná, bude tedy vyjádřena takto:
A = W₁ – W₂ = φ₁ q₁ – φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ – φ₂).
Výraz v závorkách se bude nazývat rozdíl potenciálů nebo napětí. Ukazuje, kolik práce udělá pole, aby se testovací náboj posunul.
A/q = (φ₁ – φ₂).
Jednotka této veličiny, J/C, byla pojmenována Volt na počest vědce Alessandra Volty. Od této jednotky se počítá dimenze ostatních 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 máme co do činění s polem v různých médiích s určitou permitivitou. Přestože se u většiny látek jedná o tabulkovou hodnotu, v některých případech není konstantní a její závislost na parametrech prostředí (teplota, vlhkost atd.) je nelineární.
Tento jev je typický pro Rochellovu sůl, titaničitan barnatý, niobitan lithný a řadu dalších.
Elektrická indukce se měří v C/m² a její hodnota je vyjádřena vzorcem:
D = e e E.
To je také vektorová veličina, jejíž směr se shoduje se směrem napětí.
Statické a vírové pole
Jak bylo zmíněno na začátku článku, kolem střídavého magnetického pole se může vyskytovat elektrické pole. Dokonce vytváří proud, kterého lze dosáhnout dvěma způsoby:
- změna intenzity magnetického pole procházejícího obrysem vodiče v něm;
- změna polohy samotného vodiče.
V tomto případě nemusí být vodič vůbec uzavřen – proud v něm stále poteče.
Pro ilustraci rozdílů mezi statickým a vortexovým polem lze sestavit tabulku.
| Parametr | elektrostatický | Vír |
| tvar siločáry | OTEVŘENO | Zavřeno |
| co vytváří | stacionární náboj | proměnný magnetický tok |
| zdroj napětí | účtovat | Ne |
| práce s uzavřeným pohybem | nula | vytváří EMF indukce |
Nedá se říci, že by první a druhé pole spolu nijak nesouviselo. To je špatně. Ve skutečnosti funguje následující vzorec: stacionární náboj vytváří elektrostatické pole, které pohybuje nábojem ve vodiči; Pohybující se náboj vytváří konstantní magnetické pole. Pokud se náboj pohybuje nekonstantní rychlostí a směrem, pak se magnetické pole mění a vytváří sekundární elektrické pole. Elektrické pole a jeho charakteristiky tedy ovlivňují možnost magnetického pole a jeho parametry.
