Электрическое поле – это?
Содержание
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/1-vizualnoe-predstavlenie-polja-592x600.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/2-linii-naprjazhyonnosti-600x269.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/3-linii-naprjazhyonnosti-dvuh-zarjadov-600x382.jpg?x44801)
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](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/4-staticheskoe-raspredelenie-zarjadov.jpg?x44801)
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.