Заряджені тіла впливають один на одного за допомогою електричного поля, яке вони створюють в навколишньому просторі. Фізична величина називається напруженістю електричного поля в конкретній точці простору і характеризується векторною спрямованістю.
Напруга залежить від сили дії на заряджену частинку і розміру потенціалу.
Загальне поняття
Електричне поле являє собою певний вид матерії, що виникає навколо частинок або тіл, у яких присутній електричний заряд. У вільній формі поле існує при реформуванні магнітного фону, наприклад, при дії електромагнітних хвиль. Область впливу не спостерігається безпосередньо, але проявляється в результаті впливу сили на тіла з зарядами.
Класична наука в питаннях розгляду об’єктів, які за розміром більше атома, керується теорією взаємодії на електричному ділянці. Поле вважається окремою складовою загального електромагнітного фону. У теорії квантової електродинаміки воно розглядається як елемент слабкої взаємодії.
Присутність поля полягає у вимірюванні числа вільних носіїв при дії електростатичного фону на площину провідного середовища. Цей ефект застосовується при роботі польових радіоприймачів. Поле впливає силою на стаціонарні (щодо спостерігача) заряджені частинки або тіла. Якщо предмет є нерухомим в досліджуваній сфері, то він не прискорюється при дії сили.
Напруженістю поля називається векторна розмірність, яка визначається відношенням діючої сили на позитивно заряджену частинку, до величини окремого потенціалу. Вектор напруженості електричного поля збігається в різних точках всередині досліджуваної кулі з напрямком прикладання сили. Величина вимірюється у вольтах на метр (в/м) відповідно до Міжнародної системи СІ.
Залежність між двома зарядами
Напруженість поля за аналогією з механічною дією характеризується не тільки чисельною величиною, але і залежить від просторового напрямку, тобто являє собою векторну константу. Якщо заряд однієї частинки прийняти за одиницю, то вийде сила, яка діє на одиницю потенціалу.
Спрямованість точкового заряду з позитивним значенням йде по лінії радіуса. Напруженість у різновіддалених точках від провідника завжди відрізняється і зменшується при видаленні в обернено пропорційній залежності до відстані у квадраті.
Для розрахунку підсумовуючого показника інтенсивності значення напруженостей складаються, оскільки сили направляються одна до іншої під кутом. Таке обчислення відбувається за законом паралелограма. Цим же способом розраховується модуль напруженості в різних точках сфери при одному або декількох зарядах.
Позитивний заряд електрики відштовхується по прямій лінії, що продовжує напрямок радіуса, якщо він знаходиться в полі з плюсовим потенціалом. Вимальовується сукупність радіальних ліній, які направляються в різні боки від кулі при переміщенні заряду по різних точках області і після відміток рухових траєкторій. Отримані уявні прямі є силовими електричними лініями, по яких пересувається позитивно заряджена частинка з відсутністю інерції.
Іноді використовується прийом проведення через кожен см² площі, перпендикулярній до силових ліній на заданій ділянці простору, такої кількості ліній, щоб їх сумарне значення відповідало напруженості. Величина інтенсивності в цій частині поля змінює показник в залежності від густоти потоку силових векторів.
Однорідне поле
Електростатичне поле називається рівномірним або однорідним, якщо має однакові показники напруги в різних просторових областях за напрямком і величиною. Прикладом служить поле між великими зарядженими пластинами, які розташовуються паралельно одна до іншої.
Для зображення застосовуються прямі лінії:
- паралельні одна одній;
- мають векторний показник;
- розташовані рівномірно і на однаковій відстані.
Однойменні потенціали відштовхуються при взаємодії, тому електричний заряд може існувати тільки зовні провідникової площини. Об’єм електрики, який діє на одиницю площі тіла, називається поверхневою щільністю.
Величина показника залежить:
- від загального кількісного значення електрики на зовнішній площі тіла;
- від форми поверхні використовуваного провідника.
Електричний роздається рівномірно при використанні круглих провідників великої довжини або сферичних фігур правильної форми. У цьому випадку поверхнева щільність потенціалу буде однаковою на всіх ділянках площі тіла.
Якщо тіло відрізняється неправильною геометрією, то заряд ділиться з порушенням рівномірності. Більший показник щільності визначається на виступаючих частинах і зменшується всередині поглиблень і западин.
Частини потенціалу на таких екстремальних ділянках відштовхуються і прагнуть скинути заряди з поверхні в проблемних областях. На вістрі накопичується значна порція заряду, тому утворюється електричне поле великої сили.
Виникає ефект конденсатора. Під його дією навколишнє повітря або інший діелектрик іонізується і стає провідником. В цьому випадку спостерігається “стікання” потенціалу з вістря.
При виготовленні провідників ретельно прибирають всі гострі виступи і кінці, щоб уникнути надмірної електризації в разі застосування високої напруги.
Напруженість електричного поля в побуті
Спочатку створюється електричний потенціал для отримання поля. Будь-який діелектрик натирається об шерсть, волосся, використовується, наприклад, пластикова ручка або ебонітова паличка.
На поверхні предмета створюється потенціал, а навколо виникає електричне поле. Ручка з зарядом притягує дрібні шматочки паперу. Якщо підібрати правильне поєднання матеріалу і розміру предмета, то в темряві спостерігаються невеликі іскри, які з’являються внаслідок розрядів електрики.
Електростатичний фон часто з’являється поруч з екраном телевізора при включенні або виключенні обладнання. Це поле відчувається у вигляді піднятих волосків на тілі. Надлишковий потенціал, отриманий провідником ззовні, зосереджується на поверхні предмета, як стає ясно з проведених дослідів. Переміщення заряджених частинок до зовнішньої оболонки свідчить про появу електростатичного поля всередині провідника, що дає імпульс до перекидання.
Якби ця думка була правильною, то надлишковий потенціал міг перебувати в умовах рівноваги і сприяв би безладному і хаотичному руху молекул. Таке явище ніколи не спостерігається в провідниках і заряджених тілах.
Розрахунок показників
Напруженість поля, яке виникає під дією системи зарядів в шуканій точці досліджуваної області, дорівнює векторному результату аналогічних показників всіх полів, створюваних окремими потенціалами.
Формула напруженості електричного поля виглядає як
Е= F/q
де:
- Е – напруженість поля.
- F – сила, яка впливає на заряд, що знаходиться в певній точці.
- q – потенціал окремої частинки, вимірюється в кулонах.
Напрямок вектора Е має збігатися з напрямком дії сили, що впливає на позитивний заряд, і знаходиться в протилежному руслі до тиску, що створюється на негативну частку.
Ця властивість означає, що дія поля відбувається за принципом суперпозиції:
- результат впливу на окрему мікрочастинку декількох зовнішніх сил дорівнює векторній сумі відокремлених впливів;
- кожне складне пересування розкладається на кілька простих.
Іноді принцип приймає інші формулювання, які за змістом являють собою еквівалентну теорію. Відповідно до неї, для знаходження енергії взаємного зміщення в системі безлічі частинок береться сума активності парних поєднань між усіма реальними парами зарядів.
Рівняння, які беруть участь в описі поведінки системи, є лінійними формулами за кількістю мікрочастинок.
Взаємодія потенціалів
Елементарні мікрочастинки, які називаються електричні заряди, створюють у власному оточенні електромагнітний фон. Поле переносить силові зв’язки між окремими частинками. Електростатичне поле контактує з носіями заряду і являє собою носій інформації в сучасних системах телемовлення, радіо.
Частинки взаємодіють між собою і переносяться полем в просторовому континуумі з певною кінцевою швидкістю. Електричний потенціал (заряд) є чисельною характеристикою в певній області поля і приймає позитивне або негативне значення. При цьому величина силової дії між елементами, яке здійснюється зарядами, є прямо пропорційною розміру потенціалу.
Електричний потенціал певної спрямованості присутній в частинці протягом усього часу її існування. В результаті відбувається ототожнення мікроелемента з його зарядом. Для характеристики використовується система диполь, що застосовується для опису поля або обліку поширення коливань електромагнітних ліній далеко від нульового джерела з зарядом, розділеним в просторі.
У природі створюється однакова кількість позитивних і негативних електронів, при цьому електричний потенціал молекул і атомів приймається рівним нулю. Заряди іонів і катіонів в кожній ділянці кристалічної решітки компенсуються між собою.
Виникнення ізольованих систем з певною полярністю пов’язується не з появою нових потенційних частинок, а з їх поділом в деяких умовах, наприклад, при терті. Електростатичне поле виникає в разі нерухомості зарядів і є ідеалізованим поняттям.
Точкові резерви
Потенціалом називається заряджений предмет або окрема частка, розміри якої визнаються нікчемними в порівнянні з дистанціями до інших зарядів в шуканій системі.
Заряд, який поміщається в досліджуване тіло для отримання характеристик і виявлення властивостей, носить назву пробного.
Такий потенціал є досить малим, щоб впливати на положення основних зарядів і спотворювати умови вимірюваного поля. Цей елемент служить індикатором електромагнітного фону. Заряд в замкнутому електричному полі ніколи не зміниться, якщо через поверхню не будуть надходити заряджені елементарні частинки (закон Фарадея).
Якщо заряджена система 1 віддає потенціал системі 2, то розмір одержуваного заряду завжди дорівнює величині кількості, що віддається. Заряд тіла є симетричним щодо зміни порядку відліку і не залежить від прискорення і початкової швидкості.
