Статья об электрическом поле
В контексте изучения электрического заряда было установлено, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а разноименные — притягиваются. Если положительно заряженный объект приблизить к отрицательно заряженному объекту, то оба объекта притянутся друг к другу и будут двигаться навстречу. И наоборот, если положительно заряженный объект приблизить к положительно заряженному объекту, то оба объекта оттолкнутся друг от друга и будут двигаться друг от друга. Как было изучено в рамках закона Кулона, электрически заряженные объекты могут ускорять другие электрически заряженные объекты, поскольку между ними действует электрическая сила. Электрическая сила, действующая со стороны электрически заряженного объекта на другие электрически заряженные объекты, является одним из примеров силы, которая может действовать бесконтактно. Другим примером силы, действующей на расстоянии, является сила гравитации . Гравитационная сила действует со стороны объекта с массой на другие объекты с массой.
Сила трения , сила тяги, нормальная сила — это примеры сил, которые легко понять, поскольку они действуют при контакте. Напротив, электрическая сила — это пример силы, которую трудно понять, поскольку она может действовать на определенном расстоянии без контакта. Для понимания электрической силы, которая может действовать на определенном расстоянии, появилось понятие электрического поля. Концепция электрического поля была разработана британским ученым Майклом Фарадеем (1791-1867).
Определение электрического поля (E)
Предположим, что изначально стакан был электрически нейтральным. После протирания тканью стеклянный стержень электрически заряжается. При зарядке стакана одновременно возникает электрическое поле вокруг него. Если стакан становится нейтральным, электрическое поле одновременно исчезает. Таким образом, существование электрического заряда (E) нельзя отделить от наличия электрического заряда. Электрическое поле — это не вещество, как воздух, и не волна, как электромагнитные волны. Электрическое поле — это нечто, создаваемое электрическим зарядом и влияющее на пространство вокруг него, тогда как другие электрические заряды ощущают только его воздействие.
Чтобы проверить наличие электрического поля E в помещении, предполагается, что в этом пространстве находится пробный заряд. Пробный заряд является минимальным зарядом (Q), поэтому он создает очень малое электрическое поле, которым можно пренебречь. Однако пробный заряд может ощущать влияние электрического поля, создаваемого другими электрическими зарядами. Пробный заряд присутствует только для того, чтобы исследовать наличие электрического поля E. Если электрическое поле E в помещении существует,
Пробный заряд должен испытывать электрическую силу, тогда как если бы силы E не было, пробный заряд не испытывал бы электрической силы.
Посмотрите на изображение сбоку.
На рисунке 1 заряды +q₁ и +q₂ создают электрическое поле E в окружающем пространстве. Когда пробный заряд +q₀ помещается в точку пространства, на пробный заряд +q₀ действует электрическая сила. F₁ — это электрическая сила, действующая со стороны заряда +q₁ на пробный заряд + q₀ , а F₂ — это электрическая сила, действующая со стороны заряда +q₂ на пробный заряд +q₀ . На рисунке 2, когда пробный заряд удаляется, электрическое поле E сохраняется и не исчезает из этой точки. E₁ — это электрическое поле, создаваемое электрическим зарядом +q₁ , а E₂ — это электрическое поле E, создаваемое электрическим зарядом + q₂.
Величина электрического поля
Электрическое поле E — это векторная величина, имеющая величину и направление. Величина E обычно обозначается как напряженность электрического поля E. Напряженность электрического поля E в точке определяется как сила электрического тока, действующая со стороны электрического заряда на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку, деленная на величину пробного заряда.
E = напряженность электрического поля
F = электрическая сила
q = пробный заряд
Единицей измерения электрической силы является ньютон, а единицей измерения электрического заряда — кулон, поэтому единицей измерения энергии E является ньютон/кулон, сокращенно Н/Кл.
Направление электрического поля
На рисунке 1а положительный электрический заряд (+Q) оказывает электрическую силу на положительный пробный заряд (+q), причем направление электрической силы (F) направлено от заряда +Q.
На рисунке 1b показано, что после удаления пробного заряда в этой точке возникает электрическое поле (E), направление которого направлено от электрического заряда Q.
На рисунке 2а отрицательный электрический заряд (-Q) оказывает электрическую силу на положительный пробный заряд (+q), при этом направление электрической силы (F) приближается к заряду -Q.
На рисунке 2b показано, что после удаления пробного заряда в этой точке возникает электрическое поле (E), направление которого близко к направлению электрического заряда -Q.
На основании приведенного рисунка и пояснения можно заключить, что направление электрического поля направлено от положительного электрического заряда и приближается к отрицательному электрическому заряду.
Линии электрического поля
Электрическая энергия E генерируется электрическим зарядом и воздействует на пространство вокруг этого заряда, причем это воздействие ощущают только другие электрические заряды. Когда другой электрический заряд находится в зоне действия электрической энергии E, генерируемой другим электрическим зарядом, этот другой электрический заряд ощущает воздействие электрической силы.
Понимание электрического поля, описанного в статье об E, можно осмыслить мысленно, но лишь представить себе. Для визуализации E используются линии электрического поля. Линии электрического поля — это набор линий, проведенных вокруг электрического заряда для обозначения существования электрического поля. Поскольку они призваны показать наличие E, существует связь между этими линиями и E. Другими словами, величину и направление E можно объяснить, нарисовав линии электрического поля.
Ниже приведена взаимосвязь между направлением и напряженностью электрического поля с помощью линий электрического поля:
Во-первых, направление электрического поля удаляется от положительного заряда и приближается к отрицательному. Таким образом, направление линий электрического поля также удаляется от положительного заряда и приближается к отрицательному.
Если положительный заряд примыкает к отрицательному заряду, то линии электрического поля направлены от положительного заряда к отрицательному. И наоборот, если положительный заряд примыкает к положительному заряду, то линии электрического поля направлены от каждого положительного заряда и друг от друга.
Во-вторых, напряженность электрического поля определяется расстоянием между линиями электрического поля. Чем меньше расстояние между линиями электрического поля, тем выше напряженность электрического поля, и чем больше расстояние между линиями электрического поля, тем меньше напряженность электрического поля.
Почему чем меньше расстояние между линиями, тем выше напряженность электрического поля? Чтобы понять это, рассмотрим следующее объяснение. Предположим, положительный заряд находится в центре сферы, а линии электрического поля расходятся в разных направлениях по поверхности сферы. Если число линий электрического поля равно N, а площадь поверхности сферы равна 4πr² , то число линий на единицу площади, или плотность линий, равно N/4πr² . Исходя из этой формулы, при том же N, если r уменьшается, расстояние между линиями уменьшается, а если r увеличивается, то расстояние между линиями увеличивается.
Формула напряженности электрического поля E = kq / r² также показывает, что напряженность электрического поля обратно пропорциональна квадрату расстояния. Если r меньше, то напряженность электрического поля становится больше, а если r больше, то напряженность электрического поля уменьшается.
На основании приведенного выше анализа можно заключить, что по мере уменьшения r (приближения к заряду) напряженность электрического поля увеличивается, а расстояние между линиями также сокращается. И наоборот, по мере увеличения r (приближения к заряду) напряженность электрического поля уменьшается, а расстояние между линиями также увеличивается.
Во-третьих, количество линий электрического поля пропорционально напряженности электрического поля. Чем больше линий электрического поля, тем выше напряженность электрического поля. Чем меньше линий электрического поля, тем меньше напряженность электрического поля.
