Электрическое поле – это?

На вопрос о том, что такое электрическое поле, однозначно ответить совсем непросто, так как это понятие всегда употребляется в определённом контексте. С точки зрения электротехники, например, электрические поля – это особые энергетические образования, создаваемые единичным зарядом (или группой зарядов).

Визуальное представление поля

С учётом этого замечания предложенное определение не противоречит классической трактовке, представляющей их как одну из составляющих электромагнитного поля.

Особенности электрического поля и его свойства

Человеческому разуму пока недоступно понимание сущности полевых образований, которые проявляются в виде слабых и сильных взаимодействий. Но учёные, тем не менее, достигли некоторого прогресса в освоении механизма вторичных проявлений и научились трансформировать приобретённые знания в полезные изобретения.

Основная физическая причина возникновения эл. полей – это наличие одного или нескольких свободных зарядов, изменяющих свойства данного участка пространства.

При таком подходе к понятию электрического поля оно может быть представлено как ограниченная часть пространства, в центр которой помещён одиночный заряд.

Один из уже изученных эффектов, наблюдаемых в зоне воздействия эл. полей, состоит в том, что на поверхности помещённой в него проводящей среды образуются области концентрации свободных зарядов (электронов и «дырок»). Это явление широко используется при изготовлении таких известных электронных компонентов, как биполярные и полевые транзисторы.

К наиболее важным свойствам распределённых в пространстве электрических полей относится способность их воздействия на неподвижные или движущиеся относительно исследователя заряженные частицы. Во втором случае этот эффект проявляется в виде ускоряющей силы, приводящей в движение сам материальный носитель (проводник с электрическим током, например).

Формируемая вследствие этого эффекта сила по закону Лоренца всегда направлена поперёк перемещения зарядов, а её величина зависит от напряжённости поля и скорости движения частиц (силы тока).

Характеристики электрических полей

Особенность любого полевого образования состоит в том, что оно обладает способностью действовать на некотором удалении от своего источника. Указанный эффект позволяет ввести количественные характеристики электрического поля, представленные напряжённостью (интенсивностью) и потенциалом в определённой точке.

Первый из этих показателей является векторной величиной, а второй – характеризует её количественные или энергетические свойства. Абсолютное значение напряжённости выражает силу, с которой поле действует на помещённую в него заряженную частицу. Интенсивность выражается как отношение этой силы к величине единичного заряда:

Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M].

Потенциал в определённой точке поля – это отношение энергии, помещённой в него частицы, к величине её заряда:

φ = W/Q [В].

Геометрическое место точек, соответствующее одинаковым потенциалам, в электротехнике называют эквипотенциальной поверхностью или сферой.

Графическое представление

Для графического представления полей используются условно вводимые силовые линии, касательные к которым по своему направлению совпадают с вектором напряженности в данной точке.

Дополнительная информация. Для одиночных зарядов силовые линии никогда не замыкаются; они или начинаются на плюсовом заряде, или же заканчиваются на минусовом.

С условным схематическим изображением распределённого поля, учитывающим полярность зарядов, можно ознакомиться на рисунке, размещённом ниже. Вариант распределения линий напряжённости при противоположном знаке заряда приводится на том же схемном изображении.

Линии напряжённости

Из представленных на этих рисунках изображений видно, что к основным характеристикам электрического поля может быть отнесён градиент напряжённости, позволяющий количественно оценить изменение потенциала по мере удаления от центра.

Определённый интерес также представляет ситуация, когда поле создаётся двумя зарядами, находящимися в непосредственной близости один от другого (смотрите рисунок ниже).

Линии напряжённости двух зарядов

В этом случае характер распределения линий напряжённости несколько усложняется (за счёт замыкания их на противоположный заряд).

Практическое применение

С практической точки зрения наибольший интерес представляет ситуация, когда в электрическое поле помещаются следующие электротехнические материалы:

• Проводники, в которых всегда имеется большое количество свободных электронов и по которым может протекать электрический ток;
• Диэлектрики, отличающиеся ограниченным содержанием свободных заряженных частиц.

О том, как ведут себя проводники и диэлектрики в электрическом поле, необходимо поговорить особо.

Проводники

При помещении в поле проводника по нему начинает течь электрический ток за счёт наличия в его материале свободных электронов. Протекающий ток образует вокруг проводника своё собственное электромагнитное поле, которое вступает во взаимодействие с исходным полевым образованием. Вследствие этого взаимодействия проводник начинает отклоняться в сторону, зависящую от направления движения электронов по нему.

Однако этот эффект имеет и обратное действие, которое может быть описано следующим образом:

• При перемещении в электрическом поле любого замкнутого проводника в нём начинается перемещение электрических зарядов. При разомкнутом проводнике на его концах появляется электрический потенциал (электродвижущая сила);
• Под действием этой силы по проводнику, подключённому к нагрузке, начинает течь ток определённой величины;
• Направление потока электронов зависит от того, в какую сторону перемещается сам проводник;
• Величина этого тока пропорциональна скорости перемещения провода в электромагнитном поле.

На основании того, как ведут себя проводники в электрическом поле, разработано и внедрено в производство множество самых разнообразных электротехнических механизмов и агрегатов. Типичными представителями таких устройств являются:

• Электродвигатели и генераторы;
• Измерительные приборы;
• Специальные коммутирующие и защитные аппараты.

К этому перечню можно добавить приборы управления и сигнализации, а также множество других электротехнических устройств.

Диэлектрики

Большой практический интерес представляют материалы, обладающие противоположными по отношению к проводникам свойствами. Они называются диэлектриками и очень слабо реагируют на приложенное напряжение, не приводящее к появлению массового перемещения электронов.

При исследовании взаимодействия диэлектриков с электрическими полями обнаружено, что последние создают в них статическое распределение потенциалов. Это явление получило название поляризации зарядов, при которой носители тока (электроны) скапливаются в одной из точек приложения напряжения.

Статическое распределение зарядов

На противоположном конце диэлектрика из-за недостатка электронов появляется обратный потенциал, вследствие чего материал поляризуется и приобретает ряд интересных свойств. С практической точки зрения этот эффект позволяет создавать структуры, в которых можно реализовать принцип перезарядки с приложением переменного поля.

Это явление лежит в основе работы емкостных элементов (конденсаторов), входящих в состав любого электронного изделия.

В заключении отметим, что основные свойства электрического поля позволяют оценивать его проявления по взаимодействию с помещёнными в него проводящими материалами. На этом принципе основано большинство известных методов измерения электрических величин, а также способов преобразования и передачи энергии.

Видео