Работа электрического поля
Содержание
Поворот стрелки компаса обеспечивает естественное магнитное поле Земли. Статический заряд притягивает пыль к пластиковой облицовке компьютерного монитора. Сердечник внутри индукционной катушки перемещается при подключении к источнику питания. Эти примеры показывают, каким образом проявляется работа электрического поля. До изучения его практического применения надо уточнить природу данного явления, основные определения и формулы.
Работу электростатического поля наглядно демонстрирует известный эксперимент с заряженной эбонитовой палочкой
Силы и их действие на заряженную частицу
Теоретический эксперимент для исключения паразитных воздействий выполняют в идеальной среде. Вакуум обеспечивает отсутствие механических препятствий. Удаленность массивных тел предотвращает гравитационные влияния. Устраняют световые потоки.
Формула, поясняющая зависимость между основными параметрами
Если частицу с единичным зарядом (q) поместить в такую среду с электростатическим полем, она начнет перемещаться из точки с потенциалом ϕ1 в другое место с энергетическим запасом ϕ2. Будет выполнена работа (А).
Неравномерность силовых параметров поля показывают специальными линиями, которые можно характеризовать следующим образом:
- направленность в сторону уменьшения потенциала от плюса (севера) к минусу (югу), соответственно;
- отсутствие пересечений в любой точке поля;
- уменьшение расстояния между отдельными компонентами свидетельствует об увеличении напряженности.
Что такое потенциал
Разница потенциалов перемещает заряженную частицу. Однако справедливо и обратное утверждение. По выполненным затратам определяют количество энергии, которую надо использовать на соответствующее передвижение. В базовых понятиях оперируют единичным положительным зарядом.
Заряды с разными потенциалами
На левом рисунке (1) изображены заряды со сравнительно небольшим энергетическим запасом. На правом (2) – показано измененное расположение силовых линий при увеличении потенциала.
Повышение напряженности допустимо только до определенного уровня, ограниченного диэлектрическими характеристиками материала (среды). При определенном значении происходит пробой между точками с разными потенциалами. Примеры – молния, короткое замыкание. При q1=q2 поле отсутствует.
Понятие потенциальной энергии заряда
Этот параметр определяют с учетом характеристик поля, расстояния между контрольными точками. Потенциальная энергия (W) заряда (q) будет равна работе, выполненной при его переносе из одной точки в другую.
Электростатическое поле
Такой вид поля создается неподвижными зарядами. Подразумевается поддержание определенной напряженности, не меняющейся на протяжении определенного времени.
Формулы для пояснения постоянства выполненной работы
Чтобы переместить заряд из первой точки во вторую, нужно учесть изменение расстояния r1 и r2. Понятно, что в данном случае не имеет значения траектория пути. В итоговой формуле нет косинуса угла. Кроме дистанции, остались только параметры потенциала вместе с постоянными величинами (π, e0).
Нижние рисунки демонстрируют равенство работ по перемещению заряда из «А» в «Б» по разным путям. В правой части показан пример с возвращением в исходную точку. Несмотря на отличия по отдельным отрезкам траектории (А1≠А2≠А3), итоговый результат будет равен нулю.
Об однородном электрическом поле
Сложная конфигурация распределения силовых линий затрудняет вычисления, создание работоспособных конструкций с заданными параметрами. Проблему решают с применением двух пластин с разными зарядами. В центральной части такого сооружения сохраняется параллельность (одинаковые амплитудные значения) векторов напряженности.
Однородное поле, положительный (а) и отрицательный (б) точечные заряды
Практический пример однородного электрического поля – пластины типового конденсатора. Даже при сворачивании в спираль функциональных компонентов типовых радиодеталей сохраняется единство физических параметров большей части рабочего объема. Симметричность нарушается на краях, однако с учетом малых размеров соответствующими незначительными воздействиями можно пренебрегать. В точечных зарядах радиальные линии направлены в стороны для положительного и к центру для отрицательного потенциала, соответственно.
Работа по передвижению положительного заряда
Перемещение заряженной частицы из области с положительным в точку с отрицательным потенциалом совершается при наличии электрического поля. Передвижение выполняется с ускорением.
Потоком называют количество линий, проходящих через определенную область поля. Это понятие условно, так как до сих пор в научной среде спорят о природе электричества. Тем не менее, соответствующее физическое воздействие достаточно точно описано формулами. Как показано на примерах, его используют при создании разных устройств и деталей.
Положительный заряд перемещается от высокого к низкому потенциалу. В каждой точке траектории можно определить силу воздействия. Для повышения точности вычислений в некоторых ситуациях приходится учитывать проводимость среды. Расчет типовых электрических цепей выполняют с помощью закона Ома.
Изображение электрических полей с помощью эквипотенциальных поверхностей
Силовые линии условны только отчасти. По стрелке компаса можно определить направление силового вектора в каждой точке. Если построить касательные по точкам, будет сформирована траектория определенного участка. Близкое расположение отдельных линий свидетельствует о большей напряженности.
Если соединить точки с одинаковыми потенциалами, получатся эквипотенциальные поверхности. Они перпендикулярно пересекают силовые линии. Общая картинка наглядно демонстрирует распределение основных параметров поля.
Эквипотенциальные поверхности
Работа электростатического поля при перемещении заряда по линиям эквипотенциальных поверхностей выполняется без дополнительных силовых воздействий. Эту особенность можно использовать для бесконтактного ограничения траектории движения элементов механических узлов. Пример с точечным зарядом показывает, что циркуляция вектора напряженности по замкнутой траектории равна нулю.
В данной публикации подробно рассмотрена электростатика. Необходимо помнить о том, что нужны соответствующие коррекции при рассмотрении динамических процессов.
