Потенціал електричного поля

Потенціал електричного поля — визначення і формули



Потенціал електричного поля – це скалярна величина тіла, що характеризує інтенсивність. Важливою властивістю електричного поля, яке не містить вихорів і формується нерухомими джерелами, вважається його потенційність. Науковці тривалий час думали над особливостями електричних і магнітних полів, поки їх сутність повною мірою не стала ясною.

Ганс Крістіа́н Ерсте́д
Ганс Крістіа́н Ерсте́д

Значення електричного поля

Вчені тривалий час вивчали секрет електроенергії. Одне з ключових відкриттів в цій сфері  належить Ерстеду. Його основне відкриття – ним вперше експериментально встановлений зв’язок між електричними і магнітними явищами в 1819-1820 рр.

Стало ясно, що коливання припускають суперпозицію, що змінюється в часі, електричних і магнітних полів. Вектор магнітної інтенсивності перпендикулярний електричному вектору, пов’язаному через довге середовище (деяка фізична величина).

Електростатичний вплив – це дія через поле.

Особливості впливу:

  • Кожен електричний заряд створює навколо себе електростатичне поле.
  • Електричним полем називається простір, в якому діють сили напруги.
  • Величини, що характеризують поле в цій точці — це інтенсивність і потенціал.

Напруженістю електростатичного явища в цій точці називається відношення електросили, що діє на поміщений в цій точці пробний заряд (позитивний) до значення цього заряду:

  • E = F/q (над E і F вектор).
  • Одиниця напруженості електростатичного поля – 1 N / C.

Напруженість електричного поля в цій точці завжди має віддачу відповідно до напрямку сили, що діє на позитивний пробний заряд.

Значення напруженості електростатичного поля на відстані R від джерела Q може позначатися простою формулою:

E=k |Q|/R2.

Для графічного представлення поля використовуються лінії-криві, для яких вектор напруженості в кожній точці має дотичну частину. Поле зі сферичною симетрією називається центральним. Якщо лінії розташовані паралельно одна одній, а інтенсивність має в кожній точці однакове значення, то поле називається однорідним.

Різниця потенціалів у фізиці в даний момент – це відношення енергії точкового позитивного пробного вантажу, поміщеного в цій точці до значення цього заряду:

V=Ep/q

Одиницею вимірювання потенціалу точки електричного поля є 1 В (вольт).

Потенціал електричного поля, формула на відстані R від джерела Q можна розрахувати:

V = k Q/r

Потенціал електричного поля - визначення

Заряд навколо об’єкта

Звичайно, можна говорити про поле, якщо є яке-небудь його джерело. Кожне електричне тіло створює навколо себе градієнт потенціалу електричного поля. У порівнянні з гравітаційними полями, є важлива відмінність:

  • Гравітаційні сили є силами тяжіння і можуть вимірюватися.
  • Сили електрики можуть бути як силами тяжіння, так і відштовхування.

Відомо, що лінії поля належать до векторів сили, що діють на тіло в цій точці. Вчені зійшлися на думці, що стрілки лінії поля будуть виставляти зворотний вектор сили, що діє на негативний заряд.

Отже, силові лінії “виходять” з позитивних зарядів позитивних і “біжать” до негативних енергетичних зарядів.

Заряд навколо об'єкта

Напруженість електричного поля

В електричному полі, так само як і в гравітаційному, виникає поняття напруженості. Це говорить про те, яка сила буде діяти, а відомо, що ця сила залежить від джерела і від відстані. Саме інтенсивність – характеристика цього поля, яке можна зарядити.

За визначенням, напруженість електрополя – це відношення сили, що діє на його значення.

Якщо поле не викликане одним джерелом, а, наприклад, двома позитивними зарядами, то для обчислення інтенсивності в цій точці простору є сенс застосувати принцип суперпозиції.

Наприклад, є дані центрального поля, створювані зарядом Q. Слід розмістити на відстані R1 пробний заряд q. Робиться робота по переміщенню цього випробувального заряду на відстань R2 від джерела поля.

Для того щоб система заряду рухалася з однаковою швидкістю, потрібно постійно діяти на нього із зусиллям, що врівноважує величину Куломба. Але разом зі зміною відстані від джерела ця сила змінюється обернено пропорційно квадрату відстані. Використовувати потрібно середню величину, що діє на пробний заряд.

Щоб визначити, чи є робота позитивною або негативною, потрібно подумати, який кут між вектором прикладеного зусилля і вектором переміщення. Якщо пробний заряд притягується джерелом поля, і робота, яку виконують, переміщує цей заряд ближче до джерела, тоді потрібно збалансувати тяжіння.

Одним словом, докладають зусилля, яке створює з вектором зміщення на кут 180°. Якщо cos (α)= -1, то робота негативна. Але якщо джерело має взаємодію з вантажем так, щоб врівноважити силу, паралельну ланцюгу зміщення, так що умова α=0°, тобто cos (α) = 1 – тоді робота позитивна.

Напруженість електричного поля23

Потенційна енергія

Обчислюючи потенційну енергію випробувального заряду в цій точці поля, використовують властивість, при якому різниця потенційної енергії у двох точках дорівнює роботі, виконуваної при переміщенні цього значення з однієї точки в іншу (те ж саме робили, включаючи енергію в гравітаційному полі).

Для того щоб обчислити потенційну енергію в цій точці, потрібно перемістити пробний заряд в місце, де потенціал дорівнює нулю. Таке місце знаходиться в точці, нескінченно віддаленій від джерела.

Позитивний або негативний знак потенціалу вибирають в залежності від того, відштовхують вантаж з джерелом або притягують. Якщо заряд джерела є негативним, то знаходження електростатичного потенціалу є таким же. Коли джерело є позитивним, потенціал – теж.

Види діелектриків

Еквіпотенційні поверхні

Якщо припустити, що джерелом електричного поля є точково заряджена частинка (тобто поле центральне), з цього випливає, що всі точки простору, які знаходяться від нього однаково далеко, мають рівний потенціал. У просторі сукупність таких точок утворює поверхню кулі, а заряд-джерело знаходиться в центрі сфери.

Однак, якщо електричне поле не має централізованого характеру, все одно можна призначити такі поверхні, що пробний заряд, розміщений в будь-якій точці цієї поверхні, матиме той же потенціал. Наприклад, в разі однорідного поля такою поверхнею є будь-яка площина, перпендикулярна лінії поля.

Неполярні діелектрики в е-полі

Діелектрики в електростатиці

Крім того, у напрямних є ще одна група тіл – це діелектрики. Для початку необхідно уточнити різницю між діелектриком і провідником.

Провідники – це тіла, в яких заряди можуть вільно переміщатися. Прикладом провідника є мідний дріт. Якщо пропустити через дріт струм, а потім доторкнутися до нього рукою, то електрика буда «спливати» з провідника і, отже, розвантажить його.

Але якщо позитивно електрифікувати скло, яке є діелектриком, то дотик через руку не призведе до його розрядки. Електрони від кінцівки будуть текти тільки в точці контакту, але це скло буде як і раніше наелектризовано в місцях, де до нього торкаються.

Електрони в діелектрику не можуть вільно рухатися. Вони обмежені атомами і молекулами, які не можуть покинути.

Але якщо помістити діелектрик в поле розрядів між позитивним і негативним зарядом, тоді розташування електронів і атомних ядер зміниться. Ці частинки поводяться як диполі. Така позиція показує всі молекули в діелектрику.

Утвориться ланцюжок диполів з зарядами, позитивними з одного боку, і негативними — з іншого. Це явище називається діелектричною поляризацією. Поляризований діелектрик створює своє поле, внутрішнє, і у нього вектор напруженості завжди спрямований протилежно полю, в якому розташований діелектрик. Таким чином, шкода від аварій при напрузі поля зменшується.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *