Содержание
электрический ток | это… Что такое электрический ток?
электри́ческий ток
направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов, ионов и др. Условно за направление электрического тока принимают направление движения положительных зарядов.
* * *
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЙ ТОК, направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц: электронов (см. ЭЛЕКТРОН (частица)), ионов (см. ИОНЫ) и др. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц; если ток создается отрицательно заряженными частицами (например, электронами), то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Различают электрический ток проводимости, связанный с движением заряженных частиц относительно той или иной среды (т. е. внутри макроскопических тел), и конвекционный ток (см. КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК) — движение макроскопических заряженных тел как целого (например, заряженных капель дождя).
Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника (см. ПРОВОДНИКИ) все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока (см. СИЛА ТОКА). Сила тока равна отношению величины заряда, переносимого через поперечное сечение проводника за определенный интервал времени, к продолжительности этого интервала. Если сила тока и его направление со временем не меняется, то ток называют постоянным током (см. ПОСТОЯННЫЙ ТОК).
Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных положительно или отрицательно заряженных частиц, не связанных в единую электрически нейтральную систему, и силы, создающей и поддерживающей их упорядоченное движение. Обычно силой, вызывающей такое движение, является сила со стороны электрического поля внутри проводника, которая определяется электрическим напряжением (см. НАПРЯЖЕНИЕ (электрическое)) на концах проводника.
Важнейшей характеристикой проводника является зависимость силы тока от напряжения — вольт-амперная характеристика (см.
ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА). Она имеет простейший вид для металлических проводников и электролитов: сила тока прямо пропорциональна напряжению (Ома закон (см. ОМА ЗАКОН)).
Протекая по веществу, электрический ток может оказывать магнитное, тепловое, химическое воздействие. Магнитное действие заключается в возникновении магнитного поля, это действие является всеобщим, проявляется у всех без исключения проводников. Тепловое действие электрического тока заключается в нагреве вещества, через которое протекает ток (исключение — сверхпроводники (см. СВЕРХПРОВОДНИКИ), в которых выделения теплоты не происходит). Химическое действие наблюдается преимущественно в электролитах и заключается в протекании химических реакций под действием электрического тока (например, при электролизе (см. ЭЛЕКТРОЛИЗ)).
Максвеллом введено понятие полного тока, который, в соответствии с его теорией всегда замкнут: на концах проводника обрывается лишь ток проводимости, а в диэлектрике (см.
ДИЭЛЕКТРИКИ) (вакууме) между концами проводника имеется ток смещения (см. ТОК СМЕЩЕНИЯ), который замыкает ток проводимости. Поэтому плотность полного электрического тока jполн равна сумме плотности тока проводимости j и плотности тока смещения jсм, и определяет создаваемое им магнитное поле.
Jполн = j + ?D/?t
Способность веществ проводить электрический ток очень сильно различается для разных материалов и характеризуется электропроводностью (см. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ). Проводники (см. ПРОВОДНИКИ), благодаря наличию в них большого количества подвижных заряженных частиц — носителей заряда, хорошо проводят электрический ток. Концентрация носителей заряда в диэлектриках (см. ДИЭЛЕКТРИКИ) крайне мала, и даже при больших напряжениях они служат хорошими изоляторами. В металлах (см. МЕТАЛЛЫ) свободными заряженными частицами — носителями тока — являются электроны проводимости, концентрация которых практически не зависит от температуры и составляет 1022-1023 см-3.
В электролитах (см. ЭЛЕКТРОЛИТЫ) электрический ток обусловлен направленным движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате электролитической диссоциации.
Газы из нейтральных молекул являются диэлектриками. Электрический ток проводят лишь ионизованные газы — плазма (см. ПЛАЗМА). Носителями тока в плазме служат положительные и отрицательные ионы (как в электролитах) и свободные электроны (как в металлах).
Электрический ток
Что такое электрический ток
Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках –электроны, в электролитах – ионы (катионы и анионы), в полупроводниках – электроныи, так называемые, «дырки» («электронно-дырочная проводимость»). Также существует»ток смещения», протекание которого обусловлено процессом заряда емкости, т.е. изменением разности потенциалов между обкладками.
Между обкладками никакого движения частиц не происходит, но ток через конденсатор протекает.
В теории электрических цепей за ток принято считать направленное движение носителей заряда в проводящей среде под действием электрического поля.
Током проводимости (просто током) в теории электрических цепей называют количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника: i=q/t, где i — ток. А; q = 1,6·109 — заряд электрона, Кл; t — время, с.
Это выражение справедливо для цепей постоянного тока. Для цепей переменного тока применяют так называемое мгновенное значение тока, равное скорости изменения заряда во времени: i(t)= dq/dt.
Электрический ток возникает тогда, когда на участке электрической цепи появляется электрическое поле, или разность потенциалов между двумя точками проводника. Разность потенциалов между двумя точками электрической цепи называют напряжением или падением напряжения на этом участке цепи.
Вместо термина «ток» («величина тока») часто применяется термин «сила тока». Однако последний нельзя назвать удачным, так как сила тока не есть какая-либо сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника.
Ток характеризуется силой тока, которая в системе СИ измеряется в амперах (А), и плотностью тока, которая в системе СИ измеряется в амперах на квадратный метр.
Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл):
1А = 1Кл / с.
В общем случае, обозначив ток буквой i, а заряд q, получим:
i = dq / dt.
Единица тока называется ампер (А). Ток в проводнике равен 1 А, если через поперечное сечение проводника за 1 сек проходит электрический заряд, равный 1 кулон.
Рис. 1. Направленное движение электронов в проводнике
Если вдоль проводника действует напряжение, то внутри проводника возникает электрическое поле. При напряженности поля Е на электроны с зарядом е действует сила f = Ее. Величины f и Е векторные. В течение времени свободного пробега электроны приобретают направленное движение наряду с хаотическим. Каждый электрон имеет отрицательный заряд и получает составляющую скорости, направленную противоположно вектору Е (рис. 1). Упорядоченное движение, характеризуемое некоторой средней скоростью электронов vcp, определяет протекание электрического тока.
Электроны могут иметь направленное движение и в разреженных газах. В электролитах и ионизированных газах протекание тока в основном обусловлено движением ионов. В соответствии с тем, что в электролитах положительно заряженные ионы движутся от положительного полюса к отрицательному, исторически направление тока было принято обратным направлению движения электронов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т.е. направление, противоположное перемещению электронов.
В теории электрических цепей за направление тока в пассивной цепи (вне источников энергии) взято направление движения положительно заряженных частиц от более высокого потенциала к более низкому. Такое направление было принято в самом начале развития электротехники и противоречит истинному направлению движения носителей заряда — электронов, движущихся в проводящих средах от минуса к плюсу.
Направление электрического тока в электролите и свободных электронов в проводнике
Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения S, называются плотностью тока (обозначается δ): δ= I / S
При этом предполагается, что ток равномерно распределен по сечению проводника. Плотность тока в проводах обычно измеряется в А/мм2.
По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости итоки смещения. Проводимость делят на электронную и ионную. Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный.
Электрическим током переноса называют явление переноса электрических зарядов заряженными частицами или телами, движущимися в свободном пространстве. Основным видом электрического тока переноса является движение в пустоте элементарных частиц, обладающих зарядом (движение свободных электронов в электронных лампах), движение свободных ионов в газоразрядных приборах.
Электрическим током смещения (током поляризации) называют упорядоченное движение связанных носителей электрических зарядов. Этот вид тока можно наблюдать в диэлектриках.
Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрического тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рассматриваемую поверхность.
Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Подробнее об этом читайте здесь: Постоянный ток
Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку.Величиной, характеризующей переменный ток, является частота (в системе СИ измеряется в герцах), в том случае, когда его сила изменяется периодически. Переменный ток высокой частоты вытесняется на поверхность проводника. Токи высокой частоты применяется в машиностроении для термообработки поверхностей деталей и сварки, в металлургии для плавки металлов. Переменные токи подразделяют насинусоидальные и несинусоидальные. Синусоидальным называют ток, изменяющийся по гармоническому закону:
i = Im sin ωt,
где Im, — амплитудное (наибольшее) значение тока, А,
Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени.
Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота ω — скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:
ω = 2πf
Установившиеся (фиксированные) значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I неустановившиеся (мгновенные) значения — буквой i. Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.
Переменный ток — это ток, который изменяется по закону синуса с течением времени.
Под переменным током также подразумевают ток в обычных одно- и трёхфазных сетях. В этом случае параметры переменного тока изменяются по гармоническому закону.
Поскольку переменный ток изменяется во времени, простые способы решения задач, пригодные для цепей постоянного тока, здесь непосредственно неприменимы. При очень высоких частотах заряды могут совершать колебательное движение — перетекать из одних мест цепи в другие и обратно.
При этом, в отличие от цепей постоянного тока, токи в последовательно соединённых проводниках могут оказаться неодинаковыми. Ёмкости, присутствующие в цепях переменного тока, усиливают этот эффект. Кроме того, при изменении тока сказываются эффекты самоиндукции, которые становятся существенными даже при низких частотах, если используются катушки с большой индуктивностью. При сравнительно низких частотах цепи переменного тока можно по-прежнему рассчитывать с помощью правил Кирхгофа, которые, однако, необходимо соответствующим образом модифицировать.
Цепь, в которую входят разные резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, можно рассматривать, как если бы она состояла из обобщённых резистора, конденсатора и катушки индуктивности, соединённых последовательно.
Рассмотрим свойства такой цепи, подключённой к генератору синусоидального переменного тока. Чтобы сформулировать правила, позволяющие рассчитывать цепи переменного тока, нужно найти соотношение между падением напряжения и током для каждого из компонентов такой цепи.
Конденсатор играет совершенно разные роли в цепях переменного и постоянного токов. Если, например, к цепи подключить электрохимический элемент, то конденсатор начнёт заряжаться, пока напряжение на нём не станет равным ЭДС элемента. Затем зарядка прекратится и ток упадёт до нуля. Если же цепь подключена к генератору переменного тока, то в один полупериод электроны будут вытекать из левой обкладки конденсатора и накапливаться на правой, а в другой — наоборот. Эти перемещающиеся электроны и представляют собой переменный ток, сила которого одинакова по обе стороны конденсатора. Пока частота переменного тока не очень велика, ток через резистор и катушку индуктивности также одинаков.
В устройствах-потребителях переменного тока переменный ток часто выпрямляется выпрямителями для получения постоянного тока.
Проводники электрического тока
Материал, в котором течёт ток, называется проводником. Некоторые материалы при низких температурах переходят в состояние сверхпроводимости.
В таком состоянии они не оказывают почти никакого сопротивления току, их сопротивление стремится к нулю. Во всех остальных случаях проводник оказывает сопротивление течению тока и в результате часть энергии электрических частиц превращается в тепло. Силу тока можно рассчитать по закону Ома для участка цепи и закону Ома для полной цепи.
Скорость движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частицы, окружающей температуры, приложенной разности потенциалов и составляет величину, намного меньшую скорости света. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света в данной среде, то есть скорости распространения фронта электромагнитной волны.
Как ток влияет на организм человека
Ток, пропущенный через организм человека или животного, может вызвать электрические ожоги, фибрилляцию или смерть. С другой стороны, электрический ток используют в реанимации, для лечения психических заболеваний, особенно депрессии, электростимуляцию определённых областей головного мозга применяют для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона и эпилепсия, водитель ритма, стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии.
В организме человека и животных ток используется для передачи нервных импульсов.
По технике безопасности, минимально ощутимый человеком ток составляет 1 мА. Опасным для жизни человека ток становится начиная с силы примерно 0,01 А. Смертельным для человека ток становится начиная с силы примерно 0,1 А. Безопасным считается напряжение менее 42 В.
Электрическое поле и движение заряда
Возможно, одним из самых полезных, но само собой разумеющихся достижений последних столетий является разработка электрических цепей. Поток заряда по проводам позволяет нам готовить еду, освещать наши дома, кондиционировать нашу работу и жилое пространство, развлекать нас фильмами и музыкой и даже позволяет нам безопасно ездить на работу или в школу. В этом разделе «Класс физики» мы рассмотрим причины, по которым заряд течет по проводам электрических цепей, и переменные, влияющие на скорость его течения. Средства, с помощью которых движущийся заряд передает электрическую энергию приборам для их работы, будут подробно обсуждены.
Один из фундаментальных принципов, который необходимо понять, чтобы понять электрические цепи, относится к концепции того, как электрическое поле может влиять на заряд внутри цепи, когда он перемещается из одного места в другое. Понятие электрического поля впервые было введено в разделе «Статическое электричество». В этой единице электрическая сила описывалась как бесконтактная сила. Заряженный воздушный шар может оказывать притягательное воздействие на противоположно заряженный воздушный шар, даже если они не соприкасаются. Электрическая сила действует на расстоянии, разделяющем два объекта. Электрическая сила – это сила действия на расстоянии.
Силы действия на расстоянии иногда называют полевыми силами. Концепция силы поля используется учеными для объяснения этого довольно необычного силового явления, возникающего в отсутствие физического контакта. На пространство, окружающее заряженный объект, влияет наличие заряда; в этом пространстве создается электрическое поле.
Заряженный объект создает электрическое поле — изменение пространства или поля в окружающей его области. Другие заряды в этом поле ощутят необычное изменение пространства. Независимо от того, входит ли заряженный объект в это пространство или нет, электрическое поле существует. Пространство изменяется присутствием заряженного объекта; другие объекты в этом пространстве испытывают странные и таинственные качества пространства. Когда другой заряженный объект входит в пространство и перемещается на все глубже и глубже в поле, эффект поля становится все заметнее.
Электрическое поле представляет собой векторную величину, направление которой определяется как направление, в котором положительный пробный заряд будет сдвинут при помещении в поле. Таким образом, направление электрического поля вокруг положительного заряда источника всегда направлено от положительного источника. А направление электрического поля вокруг отрицательного заряда источника всегда направлено к отрицательному источнику.
Электрическое поле, работа и потенциальная энергия
Электрические поля аналогичны гравитационным полям — оба включают в себя силы, действующие на расстоянии. В случае гравитационных полей источником поля является массивный объект, а силы действия на расстоянии воздействуют на другие массы. Когда концепция силы гравитации и энергии обсуждалась в Разделе 5 кабинета физики, было упомянуто, что сила гравитации является внутренней или консервативной силой. Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его из высокого места в более низкое, общее количество механической энергии объекта сохраняется. Однако в ходе падающего движения происходила потеря потенциальной энергии (и прирост кинетической энергии). Когда гравитация воздействует на объект, перемещая его в направлении гравитационного поля, объект теряет потенциальную энергию. Потенциальная энергия, изначально запасенная внутри объекта в результате его вертикального положения, теряется при движении объекта под действием гравитационного поля.
С другой стороны, для перемещения массивного объекта против его гравитационного поля потребуется энергия. Неподвижный объект не будет естественным образом двигаться против поля и приобретать потенциальную энергию. Энергия в виде работы должна была бы быть сообщена объекту внешней силой, чтобы он приобрел эту высоту и соответствующую потенциальную энергию.
В этой гравитационной аналогии важно отметить, что внешняя сила должна совершить работу, чтобы сдвинуть объект против природы — от низкой потенциальной энергии до высокой потенциальной энергии. С другой стороны, объекты естественным образом переходят от высокой потенциальной энергии к низкой потенциальной энергии под действием силы поля. Для объектов просто естественно переходить от высокой энергии к низкой энергии; но требуется работа, чтобы переместить объект из низкой энергии в высокую энергию.
Аналогичным образом, чтобы переместить заряд в электрическом поле против его естественного направления движения, потребовалась бы работа.
Совершение работы внешней силой, в свою очередь, добавило бы объекту потенциальную энергию. Естественное направление движения объекта — от высокой энергии к низкой; но необходимо совершить работу, чтобы переместить объект против природы . С другой стороны, не потребуется работы, чтобы переместить объект из места с высокой потенциальной энергией в место с низкой потенциальной энергией. Когда этот принцип логически распространяется на движение заряда в электрическом поле, взаимосвязь между работой, энергией и направлением движения заряда становится более очевидной.
Рассмотрим приведенную выше диаграмму, на которой положительный исходный заряд создает электрическое поле, а положительный пробный заряд движется против поля и вместе с ним. На диаграмме A положительный тестовый заряд перемещается против поля из точки A в точку B. Перемещение заряда в этом направлении было бы равносильно действию против природы. Таким образом, потребуется работа, чтобы переместить объект из точки А в точку В, и положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в процессе.
Это было бы аналогично перемещению массы в гору; работа потребовалась бы, чтобы вызвать такое увеличение гравитационной потенциальной энергии. На диаграмме B положительный пробный заряд перемещается вместе с полем из точки B в точку A. Это движение было бы естественным и не требовало бы работы внешней силы. Положительный пробный заряд будет терять энергию при перемещении из точки B в точку A. Это будет аналогично падению массы вниз; это произошло бы естественным путем и сопровождалось бы потерей гравитационной потенциальной энергии. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с высокой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к положительному исходному заряду; и место с низким энергопотреблением находится дальше всего.
Вышеприведенное обсуждение относилось к перемещению положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом положительным исходным зарядом. Теперь рассмотрим движение того же положительного пробного заряда в электрическом поле, создаваемом отрицательным исходным зарядом.
Тот же принцип в отношении работы и потенциальной энергии будет использоваться для определения местоположений высокой и низкой энергии.
На диаграмме C положительный пробный заряд перемещается из точки A в точку B в направлении электрического поля. Это движение было бы естественным — подобно массе, падающей на Землю. Для такого движения не требуется работы, и оно будет сопровождаться потерей потенциальной энергии. На диаграмме D положительный пробный заряд перемещается из точки B в точку A против электрического поля. Потребуется работа, чтобы вызвать это движение; это было бы аналогично подъему массы в гравитационном поле Земли. Поскольку энергия сообщается пробному заряду в виде работы, положительный пробный заряд будет приобретать потенциальную энергию в результате движения. Из этого обсуждения можно сделать вывод, что место с низкой энергией для положительного пробного заряда — это место, ближайшее к отрицательному заряду источника, а место с высокой энергией — это место, наиболее удаленное от отрицательного заряда источника.
Когда мы начнем обсуждать электрические цепи, мы применим эти принципы, касающиеся работы и потенциальной энергии, к движению заряда по цепи. Как мы и рассуждали здесь, перемещение положительного пробного заряда против электрического поля потребует работы и приведет к увеличению потенциальной энергии. С другой стороны, положительный пробный заряд будет естественным образом двигаться в направлении поля без необходимости совершения над ним работы; это движение приведет к потере потенциальной энергии. Прежде чем сделать это приложение к электрическим цепям, нам нужно сначала изучить значение концепции электрического потенциала.
Следующий раздел:
Перейти к следующему уроку:
Учебник по физике: Линии электрического поля
В предыдущем разделе урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля.
Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, прямо пропорциональна количеству заряда на заряде источника и обратно пропорциональна расстоянию от заряда источника. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный пробный заряд будет выталкиваться или тянуться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд. Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. Для любого заданного места стрелки указывают направление электрического поля, и их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на диаграмме ниже. Обратите внимание, что длина стрелок больше, когда они ближе к заряду источника, и меньше, когда дальше от заряда источника.
Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля.
Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, полезнее нарисовать узор из нескольких линий, протянувшихся между бесконечностью и зарядом источника. Этот набор линий, иногда называемый линиями электрического поля, указывает направление, в котором положительный пробный заряд ускорится, если его поместить на линию. Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам. Чтобы передать информацию о направлении поля, каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Образец линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий снижает удобочитаемость шаблонов, количество линий обычно ограничивается. Наличие нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать характер электрического поля в пространстве, окружающем линии.
Правила рисования рисунков электрических полей
Существует множество соглашений и правил рисования таких рисунков линий электрического поля.
Условные обозначения просто установлены для того, чтобы образцы линий электрического поля передавали наибольшее количество информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно общее соглашение состоит в том, чтобы окружить более заряженные объекты большим количеством линий. Объекты с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружая сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, плотностью линий. Это соглашение изображено на диаграмме ниже.
Мало того, что плотность линий, окружающих любой данный объект, дает информацию о количестве заряда источника заряда, плотность линий в определенном месте в пространстве дает информацию о силе поля в этом месте. Рассмотрим объект, показанный справа. Два разных круглых сечения нарисованы на разных расстояниях от источника заряда. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда.
Линии поля ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они расходятся дальше друг от друга в областях пространства, наиболее удаленных от заряда. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы сделать вывод, что электрическое поле наибольшее в местах, ближайших к поверхности заряда, и наименьшее в местах, удаленных от поверхности заряда. Плотность линий в структуре линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.
Второе правило рисования линий электрического поля включает в себя рисование силовых линий перпендикулярно поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает составляющей электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности исходного заряда, начал бы ускоряться.
Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; такого никогда не наблюдается в статическое электричество электричество. Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.
Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и заманчиво нарушить) при рисовании линий электрического поля для ситуаций, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже). Если бы линиям электрического поля когда-нибудь позволили пересечься друг с другом в заданном месте, вы могли бы представить результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и напряженности) электрического поля в области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в заданном месте, то должны быть два совершенно разных значения электрического поля со своим индивидуальным направлением в этом заданном месте.
Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и связанное с ним направление. Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекаться друг с другом в любом заданном месте в пространстве.
Линии электрического поля для конфигураций из двух и более зарядов
В приведенных выше примерах мы видели линии электрического поля для пространства, окружающего отдельные точечные заряды. Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, может быть описано линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.
Предположим, что в данной области пространства есть два положительных заряда — заряд A (Q A ) и заряд B (Q B ).
Каждый заряд создает свое электрическое поле. В любом заданном месте, окружающем заряды, напряженность электрического поля можно рассчитать, используя выражение kQ/d 2 . Поскольку имеется два заряда, расчет kQ/d 2 должен быть выполнен дважды в каждом месте: один раз с kQ A /d A 2 и один раз с kQ B /d B 2 (d A — расстояние от этого места до центра заряда A, а d B — расстояние от этого места до центра заряда B ). Результаты этих расчетов показаны на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E A и E B ), нарисованными в различных местах. Сила поля представлена длиной стрелки, а направление поля представлено направлением стрелки.
Поскольку электрическое поле является вектором, к электрическому полю можно применить обычные операции, применимые к векторам. То есть их можно добавлять в прямом порядке для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте.
Это показано на диаграмме ниже.
На приведенной выше диаграмме показано, что величина и направление электрического поля в каждом месте представляют собой просто векторную сумму векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше мест и процесс рисования E A , E B и E net повторяется, тогда будут известны напряженность и направление электрического поля во множестве мест. (Этого не делается, так как это очень трудоемкая задача.) В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию наших двух зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного числа точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это изображено на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой заданной точке.
Построение линий электрического поля таким образом является утомительной и громоздкой задачей.
Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большей затратой времени). Каким бы ни был метод, используемый для определения паттернов линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что паттерн является результатом паттернов отдельных зарядов в конфигурации. Образцы линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.
На каждой из вышеприведенных диаграмм отдельные заряды источника в конфигурации обладают одинаковым количеством заряда. Имея одинаковое количество заряда, каждый источник заряда имеет равную способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, картина носит симметричный характер, и количество линий, исходящих от исходного заряда или идущих к исходному заряду, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный исходный заряд, пропорциональна количеству заряда на этом исходном заряде.
Если количество заряда на заряде источника неодинаково, картина приобретет асимметричный характер, так как один из зарядов источника будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства. Это показано на рисунках линий электрического поля ниже.
После построения линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие закономерности для других конфигураций. Существует ряд принципов, которые помогут в таких предсказаниях. Эти принципы описаны (или переописаны) в списке ниже.
- Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта до бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
- Линии электрического поля никогда не пересекаются.
- Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим количеством заряда.
- В местах, где линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.
Линии электрического поля как невидимая реальность
В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, происходящее между заряженными объектами. Впервые понятие электрического поля было введено 19 в.физик 19 века Майкл Фарадей. Фарадей считал, что узор из линий, характеризующих электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того, чтобы думать с точки зрения воздействия одного заряда на другой заряд, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на окружающее его пространство. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве. С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда.
Заряженный объект посылает свое электрическое поле в пространство, идущее от «тянущего к шкиву». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную паутину влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Таким образом, когда вы практикуете построение линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии. Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая будет притягивать и отталкивать другие заряды, входящие в нее.
Мы хотели бы предложить…
Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного приложения «Поместите заряд в цель» и/или интерактивного взаимодействия с линиями электрического поля.
Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactives на нашем веб-сайте. Оба интерактива обеспечивают привлекательную среду для изучения линий электрического поля.
Посетите: Зарядите цель | Линии электрического поля
Проверьте свое понимание
Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.
1. Несколько рисунков линий электрического поля показаны на диаграммах ниже. Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так со всеми неправильными диаграммами.
2. Эрин Эгин нарисовала следующие линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.
3. Рассмотрите линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже. Из диаграммы видно, что объект А — это ____, а объект В — это ____.
Добавить комментарий