Есть такой термин в физике, как «электрическое поле». Он описывает явление возникновения определенной силы вокруг заряженных тел. В этой статье мы рассмотрим, что такое электрическое поле и каковы его свойства, где оно возникает и как применяется.

Что такое электрическое поле

Вокруг заряженного тела возникает электрическое поле (ЭП). Формулировка простыми словами звучит следующим образом: это поле, которое действует на другие тела с определенной силой.

Основной количественной характеристикой выступает напряженность электрического поля. Оно равно отношению силы, действующей на заряд, к величине заряда. Сила действует в определенно направлении, значит и напряженность ЭП — векторная величина.

Приведем формулу напряженности:

Напряженность ЭП действует в направлении, которое вычисляется по принципу суперпозиции. То есть:

На рисунке ниже вы видите условное графическое изображение двух зарядов разной полярности и силовые линии электрического поля, возникающего между ними.

Важно! Главное условие возникновения электрического состоит в том, что тело должно иметь определенный заряд. Только тогда вокруг него возникнет поле, которое будет действовать на другие заряженные тела.

Такое поле называют еще и кулоновским.

Другой важной физической величиной выступает потенциал электрического поля. Это уже не векторная, а скалярная величина, она прямо пропорциональна энергии, приложенной к заряду:

Важно! Силовая и энергетическая характеристики электрического поля — напряженность и потенциал. Это и есть его основные физические свойства.

Потенциал измеряется в вольтах и численно равен работе ЭП по перемещению заряда из определенной точки в бесконечность.

Более подробно узнать о том, что такое напряженность электрического поля, вы можете из видео урока:

Точечный заряд: его роль и значение

Точечный заряд — это идеализированное представление заряда, которое считается сконцентрированным в одной невидимо малой точке. Несмотря на то, что в реальности такого заряда не существует, этот термин широко используется в теоретической физике для упрощения расчетов и создания моделей электрических полей.

Физический смысл напряженности электрического поля

Напряженность электрического поля характеризует величину и направление силы, которая действует на единичный положительный заряд, помещенный в данное поле. Эта величина показывает, насколько сильно поле воздействует на заряды в своем пространстве.

Виды полей

Различают несколько основных видов полей, в зависимости от того, где это явление возникает. Рассмотрим несколько примеров полей:

• Если заряды неподвижны – это статическое поле.
• Если заряды движутся по проводнику – магнитное (не путать с ЭП).
• Стационарное поле возникает вокруг неподвижных проводников с неизменяющимся током.
• В радиоволнах выделяют электрические и магнитные поля, расположенные в пространстве перпендикулярно друг другу. Это происходит потому, что любое изменение МП порождает возникновения ЭП с замкнутыми силовыми линиями.

Однородное и неоднородное электрическое поле

Однородное электрическое поле характеризуется постоянной напряженностью в любой его точке. В неоднородном поле напряженность меняется от точки к точке.

Электрическое поле точечного заряда и его особенности

Точечный заряд представляет собой упрощенное представление заряда, сконцентрированного в бесконечно малой области пространства. Электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, имеет радиальное направление и уменьшается в обратной пропорции квадрату расстояния от заряда. Главная особенность такого поля заключается в том, что оно симметрично и равномерно распространяется во всех направлениях от точки, где находится заряд.

Обнаружение электрического поля

Мы попытались вам рассказать все важные определения и условия существования электрического поля простым языком. Давайте разбираться, как его обнаружить. Магнитное обнаружить легко – с помощью компаса.

Электрическое поле мы можем обнаружить и в домашних условиях. Все мы знаем, что если потереть пластиковую линейку об волосы, то мелкие бумажки начнут к ней притягиваться. Это и есть действие электрического поля. Когда вы снимаете шерстяной свитер, слышите треск и видите искорки – это оно же.

Еще один способ обнаружить ЭП – поместить в него пробный заряд. Действующее поле отклонит его. По такому принципу работают ЭЛТ мониторы и лучевые трубки осциллографа.

Линии напряженности: что это и зачем они нужны

Линии напряженности представляют собой визуализацию направления электрического поля в различных точках пространства. С их помощью легко представить распределение и интенсивность поля, а также его взаимодействие с другими объектами. Линиями напряженности можно показать, как взаимодействуют заряды, а также предсказать их поведение в присутствии других зарядов.

Практика

Мы уже упомянули о том, что в быту электрическое поле проявляется, когда вы снимаете шерстяную или синтетическую одежду и когда натрете пластиковую линейку и проведете над мелкими бумажками. Но это нельзя назвать полноценными техническими примерами.

В проводниках малейшее ЭП вызывает движение носителей зарядов и их перераспределение. В диэлектриках, так как ширина запрещенной зоны в этих веществах большая, ЭП вызовет движение носителей зарядов только в случае пробоя диэлектрика. В полупроводниках действие находится между диэлектриком и проводником, но нужно преодолеть небольшую ширину запрещенной зоны, передав энергию порядка 0.3…0.7 эВ (для германия и кремния).

В каждом доме есть электронные бытовые приборы, в том числе и блоки питания. В них имеется важная деталь, которая работает благодаря электрическому полю – это конденсатор. В нем заряды удерживаются на обкладках, разделенных диэлектриком, именно благодаря работе электрического поля. На рисунке ниже вы видите условное изображение зарядов на обкладках конденсатора.

Другое применение в электротехнике — это полевые или МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-проводник). В их названии уже упоминается принцип действия. Он основан на изменении проводимости СТОК-ИСТОК под воздействием на полупроводник поперечного электрического поля, а в МДП (МОП, MOSFET – одно и то же) и вовсе затвор отделен диэлектрическим слоем (окислом) от проводящего канала, так что влияние токов ЗАТВОР-ИСТОК невозможно по определению.

Другое применение, которое уже утрачено в быту, но еще присутствует в промышленной и лабораторной технике – электроннолучевые трубки (ЭЛТ или так называемые кинескопы). Один из вариантов устройства для перемещения луча по экрану — это электростатическая отклоняющая система.

Если говорить простым языком, это пушка, которая излучает (эмитирует) электроны. Есть система, которая отклоняет частицы в нужную точку на экране для получения необходимого изображения. Напряжение прикладывается к пластинам, а на эмитированный летящий электрон воздействуют кулоновские силы, соответственно и электрическое поле. Все описанное происходит в вакууме. Тогда к пластинам прикладывают высокое напряжение, а для его формирования устанавливают трансформатор строчной развертки и обратноходовой преобразователь.

На видео ниже кратко и понятно объясняется, что такое электрическое поле и какими свойствами обладает этот особый вид материи:

Как создается электрическое поле: реальные примеры

Электрическое поле образуется вокруг любого объекта, обладающего электрическим зарядом. Вот несколько реальных примеров:

1. Статическое электричество. Возникает, например, при трении одежды о тело или при разделении двух неравномерно заряженных поверхностей. Чаще наблюдается зимой, когда сухой воздух способствует накоплению статического заряда на одежде.
2. Батареи и аккумуляторы. Они создают электрическое поле между своими полюсами благодаря химическим реакциям внутри герметичного корпуса.
3. Электрические провода. Когда по проводам течет ток, вокруг них образуется электрическое поле. Это поле особенно сильное рядом с высоковольтными линиями.
4. Конденсаторы. Когда конденсатор заряжается, между его пластинами образуется электрическое поле.
5. Земля. Наша планета также имеет естественное электрическое поле, которое играет ключевую роль в многих атмосферных явлениях, включая грозы и молнии
6. Электроника. Практически все электронные устройства создают электрические поля при своей работе. Например, при включении телевизора или компьютера вокруг них образуется электрическое поле.
7. Ионизация воздуха. При наличии источников ионизации, таких как ультрафиолетовое излучение или радиоактивные материалы, в воздухе могут образовываться ионы, создавая вокруг себя электрические поля.
8. Фотоэлектрический эффект. Когда свет попадает на некоторые материалы, он может вызывать высвобождение электронов, что в свою очередь создает электрическое поле вокруг этого материала.
9. Индукция. Под воздействием существующего электрического поля другие объекты могут приобретать индуцированный заряд, создавая собственное электрическое поле.

Все эти примеры демонстрируют, насколько электрические поля распространены в нашем окружении. Их присутствие и влияние могут быть обнаружены практически в любом аспекте нашей жизни.

Напряженность поля конденсатора и ее значение в практике

Конденсатор — это два проводника, разделенные диэлектриком. Когда на проводники конденсатора подается напряжение, на них накапливается заряд. Между пластинами конденсатора возникает электрическое поле, напряженность которого определяется количеством накопленного заряда и характеристиками диэлектрика.

Эта напряженность имеет важное значение на практике. Прежде всего, она определяет, какое максимальное напряжение может быть приложено к конденсатору без риска его пробоя. Второе практическое применение связано с хранением энергии: в электрическом поле конденсатора хранится электроэнергия, которая может быть затем использована в электрической цепи.