Как происходит перераспределение зарядов

Распределение зарядов в проводнике: физические основы и применение

Распределение зарядов в проводнике является ключевым моментом для понимания того, как работают электрические цепи и как проводники передают электрический ток. В этой статье мы рассмотрим основы распределения зарядов в проводнике и то, как это свойство влияет на поведение электрических цепей.

Равновесное распределение зарядов в проводнике

Равновесное распределение зарядов в проводнике — это состояние, когда электрические заряды в проводнике распределены таким образом, что нет движения зарядов, и электростатическое поле внутри проводника равно нулю. В этом состоянии электростатические силы на заряды, вызываемые другими зарядами, компенсируются электрическими силами на заряды, вызываемыми на противоположной стороне проводника.

Заряды в проводнике распределяются по поверхности проводника, а не внутри него. Это происходит из-за того, что электростатические силы на заряды внутри проводника направлены во все стороны и взаимно уравновешиваются, что приводит к отсутствию движения зарядов. Таким образом, заряды на поверхности проводника находятся в состоянии равновесия.

Электростатическое поле внутри проводника также равно нулю в состоянии равновесия. Это происходит из-за того, что заряды в проводнике создают электрическое поле, которое компенсируется электрическим полем, вызываемым на противоположной стороне проводника. Это означает, что внутри проводника нет разности потенциалов, так как все заряды в равновесии.

Электростатическое поле внутри проводника

Электростатическое поле внутри проводника — это особое явление, которое происходит при наличии свободных зарядов в проводнике. Свободные заряды в проводнике образуют электростатическое поле, которое оказывает влияние на другие заряды в близлежащих точках.

При наличии свободных зарядов в проводнике, они распределяются равномерно по поверхности проводника, образуя так называемое «равновесное распределение зарядов». В этом случае электростатическое поле внутри проводника отсутствует, поскольку заряды находятся в равновесии.

Однако, если в проводнике появляются другие заряды, которые не могут свободно перемещаться по поверхности проводника, например, заряды, приложенные к проводу извне, то равновесие нарушается и начинается движение свободных зарядов в проводнике.

В этом случае возникает электростатическое поле внутри проводника, которое существует до тех пор, пока заряды в проводнике не перераспределятся таким образом, чтобы вновь установилось равновесное распределение зарядов.

Примеры применения равновесного распределения зарядов в проводниках

Равновесное распределение зарядов в проводнике играет важную роль в электротехнике и электронике, так как позволяет создавать электростатически устойчивые системы и устройства.

Например, экраны мониторов и телевизоров создаются с использованием проводников, на которых равномерно распределяются заряды для создания электростатических полей. Также равновесное распределение зарядов используется для создания защиты от электростатических разрядов в электронике и электротехнике.

Еще одним примером равновесного распределения зарядов для электростатической защиты является молниезащита зданий и сооружений.

Молниезащита состоит из металлических проводников, расположенных на крышах зданий и сооружений, и системы заземления, соединяющей эти проводники с землей. Когда молния ударяет в металлический проводник, заряд распределяется по всей его поверхности благодаря принципу равновесия электростатического поля внутри проводника.

Это позволяет уменьшить напряжение, которое возникает при разряде молнии, и предотвратить повреждение здания или сооружения.

Таким образом, равновесное распределение зарядов используется для создания безопасной пути для разрядки молнии, минимизации повреждений от разряда и обеспечения защиты людей и имущества.

Клетка Фарадея — это пример использования распределения зарядов для создания электростатического экрана, который защищает оборудование от внешних электромагнитных помех.

Клетка Фарадея состоит из проводящей сетки, которая образует сетку из мелких ячеек. Когда сетка заземляется, заряды свободных электронов перемещаются вдоль сетки и равномерно распределяются на ее поверхности, создавая электрическое поле, которое блокирует внешние электромагнитные поля. Это позволяет защитить оборудование внутри клетки Фарадея от помех и сохранить его работоспособность.

Электростатическое поле внутри проводника может использоваться для измерения различных параметров, например, для определения потенциала проводника. Это возможно благодаря тому, что напряженность электростатического поля пропорциональна потенциалу проводника.

Также электростатическое поле внутри проводника может быть использовано для измерения заряда проводника, поскольку заряд проводника пропорционален напряженности электростатического поля внутри проводника.

Распределение зарядов в неравновесном состоянии

Распределение зарядов в проводнике может изменяться при наличии других зарядов, что приводит к появлению электростатических сил и токов. Это происходит в том случае, когда на проводник подается электрический заряд или проводник находится в электрическом поле.

При подаче заряда на проводник заряды начинают перемещаться, чтобы достичь равновесия. В результате могут возникнуть токи и напряжения.

Распределение зарядов внутри проводника может изменяться в зависимости от формы проводника, его размеров, заряда и других параметров.

Распределение зарядов в неравновесном состоянии может иметь различные практические применения. Например, в электронике это используется для создания различных электронных устройств, таких как конденсаторы, диоды, транзисторы и другие.

Например, распределение зарядов в конденсаторе может происходить в неравновесном состоянии, когда на пластины конденсатора подается электрический заряд. В таком случае, заряды начинают накапливаться на поверхности пластин, и поляризация проводника вызывает перераспределение зарядов внутри проводника.

При подключении конденсатора к источнику постоянного тока и его зарядке, заряды будут двигаться от одной пластины к другой, пока на пластинах не установится разность потенциалов, равная напряжению источника. Если конденсатор разрядится, то произойдет обратный процесс и заряды начнут перемещаться обратно к первоначальной пластине.

Таким образом, в неравновесном состоянии распределение зарядов в конденсаторе будет зависеть от внешнего источника, который обеспечивает энергию для зарядки или разрядки конденсатора.

Кроме того, распределение зарядов может использоваться в научных исследованиях для изучения свойств проводников и электростатических полей. Также это может иметь практическое применение в области электростатической защиты, где изменение распределения зарядов может использоваться для снижения электростатического заряда и предотвращения возникновения дисперсных разрядов.

Использование распределения зарядов для измерения потенциала и заряда проводников

Одним из примеров практического применения распределения зарядов является использование эффекта Холла. Этот эффект возникает при прохождении электрического тока через полупроводниковый материал, находящийся в магнитном поле.

При этом заряды в полупроводнике начинают отклоняться в сторону, что приводит к накоплению зарядов на боковых гранях образца. Таким образом, распределение зарядов в полупроводнике может использоваться для измерения магнитного поля.

Другим примером практического применения распределения зарядов является использование электростатических сил для манипулирования частицами на микро- и наноуровне.

Например, в нанотехнологиях можно использовать электрические поля для управления движением наночастиц, создания узоров на поверхности материала и т.д.

Также распределение зарядов может быть использовано для измерения заряда молекул и атомов, а также для создания электронных компонентов, таких как конденсаторы и транзисторы.

В целом, распределение зарядов играет важную роль во многих областях науки и техники, и является одним из основных понятий электростатики.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Распределение заряда по поверхности проводника: основные принципы и важные аспекты

В данной статье рассматриваются основные свойства заряда, поведение проводников и их распределение заряда на поверхности, а также электростатическое равновесие, закон Фарадея и электростатическое поле внутри проводника.

Распределение заряда по поверхности проводника: основные принципы и важные аспекты обновлено: 1 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по физике! Сегодня мы будем изучать основные понятия и свойства заряда и проводников. Заряд – это фундаментальная физическая величина, которая играет важную роль в электростатике. Мы рассмотрим, как заряд распределяется на поверхности проводника, что происходит в электростатическом равновесии, и как проводники экранируют электрическое поле. Также мы рассмотрим примеры распределения заряда на поверхности проводника. Давайте начнем!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заряд и его свойства

Заряд – это физическая величина, которая характеризует электрическое состояние частицы или объекта. Заряд может быть положительным или отрицательным.

Основные свойства заряда:

Закон сохранения заряда

Закон сохранения заряда утверждает, что в изолированной системе общий заряд остается неизменным. Это означает, что заряд не может быть создан или уничтожен, а только перераспределен между частицами.

Взаимодействие зарядов

Заряды взаимодействуют друг с другом с помощью электростатических сил. Заряды одного знака отталкиваются, а заряды разного знака притягиваются. Это объясняет, почему волосы встают дыбом, когда трется пластиковый пенал о шерстяную ткань – заряды на пенале и волосах отталкиваются.

Количественное измерение заряда

Заряд измеряется в единицах, называемых кулонами (C). Один кулон равен заряду, который проходит через проводник, когда через него протекает ток в 1 ампере в течение 1 секунды.

Заряд и масса

Заряд и масса являются фундаментальными свойствами частиц. Заряд определяет взаимодействие частиц в электрическом поле, а масса определяет их инерцию и движение. Заряд и масса могут быть положительными или отрицательными, но их значения всегда сохраняются.

Проводники и их особенности

Проводники – это материалы, которые позволяют свободное перемещение заряда внутри себя. В проводниках электроны, негативно заряженные элементарные частицы, могут свободно двигаться под воздействием электрического поля.

Свободные электроны

В проводниках есть свободные электроны, которые не привязаны к атомам и могут свободно перемещаться. Это позволяет заряду легко протекать через проводник.

Низкое сопротивление

Проводники имеют низкое сопротивление электрическому току. Это означает, что электроны могут легко протекать через проводник без значительного сопротивления или потерь энергии.

Распределение заряда на поверхности

Внутри проводника заряд распределяется равномерно. Однако, на поверхности проводника заряд может быть неравномерно распределен. Это связано с тем, что электростатическое поле внутри проводника должно быть равномерным, а для этого заряд должен сосредоточиться на поверхности.

Экранирование электрического поля

Проводники могут экранировать электрическое поле. Это означает, что если проводник находится в электрическом поле, то заряды внутри проводника будут перераспределяться таким образом, чтобы создать поле, равное и противоположное по направлению внешнему полю. Это позволяет уменьшить или полностью устранить воздействие внешнего поля на внутренние области проводника.

Распределение заряда на поверхности проводника

Когда проводник находится в электростатическом равновесии, заряд внутри него распределяется таким образом, чтобы создать равномерное электростатическое поле внутри проводника. Это означает, что заряд сосредоточивается на поверхности проводника.

Распределение заряда на поверхности проводника зависит от формы и геометрии проводника. Если проводник имеет острые углы или выступы, то заряд будет сосредоточен в этих местах. Если проводник имеет плавные кривые или сферическую форму, то заряд будет равномерно распределен по всей поверхности.

Заряд на поверхности проводника распределяется таким образом, чтобы минимизировать энергию системы. Это достигается путем перемещения заряда так, чтобы электростатическое поле внутри проводника было равномерным. Если бы заряд был неравномерно распределен, то возникли бы электрические силы, которые бы перемещали заряд до тех пор, пока не достигнуто равновесие.

Распределение заряда на поверхности проводника также зависит от внешнего электрического поля. Если проводник находится в электрическом поле, то заряд на его поверхности будет перераспределяться таким образом, чтобы создать поле, равное и противоположное по направлению внешнему полю. Это явление называется экранированием электрического поля.

Важно отметить, что заряд на поверхности проводника не может проникнуть внутрь проводника. Заряды внутри проводника остаются неподвижными и не могут покинуть его. Это связано с тем, что в проводнике электроны могут свободно перемещаться, но положительные заряды (протоны) остаются привязанными к атомам.

Электростатическое равновесие

Электростатическое равновесие – это состояние, при котором электростатические силы в системе находятся в равновесии, то есть сумма всех электростатических сил равна нулю. В этом состоянии заряды в системе не двигаются и не изменяют своего положения.

Для достижения электростатического равновесия необходимо, чтобы заряды в системе распределились таким образом, чтобы минимизировать энергию системы. Это достигается путем перемещения зарядов так, чтобы электростатическое поле в системе было равномерным.

В электростатическом равновесии заряды находятся в состоянии равновесия, то есть сумма всех электростатических сил, действующих на каждый заряд, равна нулю. Это означает, что электростатические силы, действующие на заряды, сбалансированы и не вызывают движения зарядов.

Электростатическое равновесие имеет важное значение во многих физических системах. Например, в проводниках заряды распределяются на поверхности таким образом, чтобы создать равномерное электростатическое поле внутри проводника. В электростатическом равновесии заряды на поверхности проводника не двигаются и не изменяют своего положения.

Электростатическое равновесие также играет важную роль в электростатических системах, таких как конденсаторы и электростатические машины. В этих системах заряды распределяются таким образом, чтобы создать равномерное электростатическое поле и достичь электростатического равновесия.

Закон Фарадея

Закон Фарадея – это фундаментальный закон электромагнетизма, который описывает явление электромагнитной индукции. Он был открыт Майклом Фарадеем в 1831 году и является одним из основных законов электромагнетизма.

Основные положения закона Фарадея:

1. Изменение магнитного поля в проводнике вызывает появление электрического поля.
2. Изменение магнитного поля в проводнике вызывает индукцию электрического тока в проводнике.
3. Величина индуцированного тока пропорциональна скорости изменения магнитного поля.
4. Направление индуцированного тока определяется правилом правой руки: если указательный палец направлен в сторону изменения магнитного поля, а средний палец – в сторону движения проводника, то большой палец указывает направление индуцированного тока.

Закон Фарадея имеет большое практическое значение и используется во многих устройствах и технологиях. Например, он лежит в основе работы генераторов переменного тока, трансформаторов, электромагнитных клапанов и других устройств.

Закон Фарадея также объясняет явление электромагнитной индукции, которое лежит в основе работы электромагнитных датчиков, генераторов и других устройств, использующих электромагнитные явления.

Электростатическое поле внутри проводника

Электростатическое поле – это область пространства, в которой действуют электрические силы на заряженные частицы. Внутри проводника электростатическое поле имеет некоторые особенности, связанные с его свойствами и распределением заряда.

Основные свойства электростатического поля внутри проводника:

1. Электростатическое поле внутри проводника всегда равно нулю в статическом состоянии. Это означает, что нет электрических сил, действующих на заряженные частицы внутри проводника.
2. Заряд внутри проводника распределяется равномерно по его поверхности. Это связано с тем, что заряды внутри проводника стремятся минимизировать свою энергию и распределиться таким образом, чтобы электростатическое поле внутри проводника было равно нулю.
3. Электростатическое поле внутри проводника может быть ненулевым только в случае наличия внешнего электрического поля. В этом случае заряды внутри проводника будут перераспределяться таким образом, чтобы создать поле, компенсирующее внешнее поле.
4. Если внутри проводника находится положительный заряд, то электростатическое поле будет направлено от положительного заряда к отрицательным зарядам на поверхности проводника.
5. Если внутри проводника находится отрицательный заряд, то электростатическое поле будет направлено от отрицательного заряда к положительным зарядам на поверхности проводника.

Эти свойства электростатического поля внутри проводника объясняют, почему заряды внутри проводника распределяются равномерно по его поверхности и создают поле, компенсирующее внешнее поле. Это также позволяет проводникам быть эффективными экранирующими средствами от внешних электрических полей.

Экранирование электрического поля

Экранирование электрического поля – это явление, при котором проводник создает электростатическое поле, которое компенсирует или ослабляет внешнее электрическое поле. Это происходит благодаря свойствам зарядов внутри проводника и их распределению по его поверхности.

Основные принципы экранирования электрического поля:

1. Проводник должен быть электрически проводящим материалом, чтобы заряды могли свободно перемещаться внутри него.
2. Заряды внутри проводника будут перераспределяться таким образом, чтобы создать поле, компенсирующее внешнее поле. Если внешнее поле направлено от положительного заряда к отрицательному, то заряды внутри проводника будут перемещаться так, чтобы создать поле, направленное от отрицательного заряда к положительному.
3. Экранирование электрического поля осуществляется за счет электростатической индукции. Внешнее поле действует на заряды внутри проводника, вызывая их перемещение и перераспределение. Это приводит к созданию электростатического поля внутри проводника, которое компенсирует внешнее поле.
4. Экранирование электрического поля может быть полным или частичным, в зависимости от свойств проводника и внешнего поля. Полное экранирование происходит, когда электростатическое поле внутри проводника полностью компенсирует внешнее поле. Частичное экранирование происходит, когда электростатическое поле внутри проводника ослабляет, но не полностью компенсирует внешнее поле.

Экранирование электрического поля является важным явлением в различных областях, таких как электротехника, электроника и радиотехника. Проводники, такие как металлы, используются для создания экранирующих оболочек и корпусов, чтобы защитить электронные компоненты от внешних электрических полей и помех.

Примеры распределения заряда на поверхности проводника

Распределение заряда на поверхности проводника зависит от его формы и геометрии, а также от внешних условий. Вот несколько примеров распределения заряда на поверхности проводника:

Сферический проводник

Если проводник имеет форму сферы, то заряд равномерно распределен по всей поверхности. Это происходит из-за симметрии сферы, которая позволяет зарядам равномерно распределиться, чтобы минимизировать энергию системы.

Цилиндрический проводник

У цилиндрического проводника заряд также равномерно распределен по его поверхности. Это происходит из-за симметрии цилиндра, которая позволяет зарядам равномерно распределиться, чтобы минимизировать энергию системы.

Плоский проводник

У плоского проводника заряд может быть неравномерно распределен по его поверхности. Например, если на плоском проводнике есть острые края или выступы, то заряд может сосредоточиться в этих местах. Это происходит из-за концентрации электрического поля вблизи острых краев или выступов.

Нерегулярная форма проводника

Если проводник имеет нерегулярную форму, то распределение заряда на его поверхности может быть сложным и зависеть от конкретной геометрии проводника. В этом случае распределение заряда может быть определено с помощью численных методов или аналитических приближений.

Важно отметить, что распределение заряда на поверхности проводника может изменяться в зависимости от внешних условий, таких как наличие других зарядов или электрических полей вблизи проводника. Это может привести к изменению формы и распределения заряда на поверхности проводника.

Заключение

В этой лекции мы рассмотрели основные понятия и свойства, связанные с зарядом и проводниками. Мы узнали, что заряд – это фундаментальная физическая величина, которая может быть положительной или отрицательной. Проводники, в отличие от изоляторов, обладают свободными зарядами, которые могут перемещаться внутри материала. Распределение заряда на поверхности проводника происходит таким образом, чтобы минимизировать энергию системы. Электростатическое равновесие достигается, когда внутри проводника нет электрического поля. Закон Фарадея гласит, что электрическое поле внутри проводника равно нулю. Экранирование электрического поля позволяет защитить пространство внутри проводника от внешних электрических полей. Примеры распределения заряда на поверхности проводника могут быть разнообразными и зависят от формы и размеров проводника.

Распределение заряда по поверхности проводника: основные принципы и важные аспекты обновлено: 1 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Где и как распределяются заряды в проводнике?

Проводником электричества является любое вещество, у которого присутствуют свободные отрицательные или положительные заряды. У металлов носителями зарядов являются электроны. Рассматривая вопрос о распределении зарядов в проводнике мы, по умолчанию, будем ссылаться на металлические тела. Но все выводы, касающиеся перераспределения зарядов в металлах, справедливы и для других типов веществ, с наличием свободных носителей положительных ионов.

Носители зарядов и их движение

При отсутствии электрического поля свободные точечные заряды пребывают в равновесии. Они осуществляют колебания, взаимодействуя между собой и с ионами такого же, либо противоположного знака. Однако картина равновесия вмиг нарушается при попадании металла в электрическое поле. На заряженном проводнике возникает электрическое смещение.

Под действием кулоновских сил происходит перераспределение электронов в металлическом теле. Перемещению зарядов способствует напряжённость поля, действующая на носители заряженных частиц разных знаков, но в разных направлениях.

В результате этого воздействия заряженные частицы устремляются в противоположные стороны. Точнее, в металлах происходит только перемещение электронов, которые скапливаются на поверхности с одной стороны.

Положительные ионы, связанные атомными силами кристаллической решётки не перемещаются, но поскольку электроны устремились в одну сторону, то на другой стороне проводника преобладают дырки (положительно заряженные ионы) (см. рис. 1). Таким образом, можно утверждать, что электроны и положительные ионы под действием электрического поля распределяются в противоположных направлениях на поверхности тел. То есть, заряды стремятся к равновесному распределению.

Процесс распределения частиц продолжается до тех пор, пока не уравновесится их взаимодействие внешних и внутренних сил. То есть, пока сумма напряжённостей внешнего электрического поля не уравняется с внутренней напряжённостью. Данный процесс длится доли секунды. Если плотность энергии не меняется, а металл остаётся в спокойствии, то равновесие сил является константой.

Учитывая направления внешних векторов напряженности и внутренних сил, действующих на проводник, можно записать:

Нулевое значение напряжённости поля означает, что внутренний потенциал тела компенсируется действием внешних сил:

Если в электрическое поле поместить металлический шар, то все статическое электричество на его поверхности будет иметь одинаковый потенциал. Такие поверхности получили название эквипотенциальных поверхностей. Заряды, скопившиеся под действием сил напряжённости поля, называются индуцированными или избыточными. Наличие избыточных зарядов характерно для всех типов проводников, оказавшихся в электрическом поле.

Рассуждения, приведённые выше, справедливы также для веществ со свободными ионами разных знаков (растворы солей и кислот). В результате такого распределения заряды также располагаются на противоположных концах токопроводящего тела. При этом равенство, записанное выше, сохраняется.

Ещё одно важное свойство проводников: при сообщении им дополнительных зарядов, собственные заряженные частицы распределяются так, чтобы восстановилось равновесие. Например, при добавлении отрицательных зарядов, последние будут противодействовать избыточным электронам, стремясь занять их место на поверхности тела.

Если проводник изолирован, то до определённого времени количество индуцированного электричества будет увеличиваться, пока не восстановится новое равновесие. При этом внутренняя напряженность поля, увеличенная плотностями зарядов, будет усиливать своё противодействие. В конце концов, наступит момент, когда отталкивающие силы остановят приток одноименных статического электричества.

Если же создать условия для отвода избыточных заряженных частиц (при сохранении притока новых), например, заземлить кондуктор, то возникнет электрический ток. Причём перемещение заряженных частиц будет проходить по поверхности металла, но не внутри его, как можно было бы ожидать.

Электроемкость уединенного проводника

Рассмотрим отдельно взятый проводник, удалённый от других заряженных тел. Такие токопроводящие тела называют уединёнными. В результате электростатической индукции на поверхности уединённого проводника возникает статическое электричество. Количество индуцированных зарядов зависит от уровня напряжённости внешнего поля.

Потенциал на таком проводнике зависит от его заряда (φ): Q=Cφ, откуда

С = Q/φ , где C – электроёмкость.

Ёмкостью уединённого проводника называют заряд, сообщение которого изменяет потенциал этого тела на единицу. На ёмкость влияет размер и форма токопроводящего тела. Но ёмкость не зависит от агрегатного состояния и на неё не влияет форма и размер внутренних полостей.

Если уединённому проводнику сообщить некий дополнительный заряд, то в течение некоторого времени он будет сохраняться. Количество электричества, которые способен удержать уединённый проводник, зависит от его формы и площади поверхности. Наибольшую ёмкость имеют сферические образования, так как площадь поверхности сферы на единицу объёма самая большая.

Два уединённых проводника разделённые диэлектриком образуют конденсатор. При этом электроемкость конденсатора C_конд = Q/(φ₁ — φ₂), где ( φ₁ — φ₂ ) разница потенциалов между обкладками. Индуцированные заряды с обкладок заряженного конденсатора можно снять на нагрузку, подключённую к выводам обкладок.

Распределение зарядов и форма тела

Как было замечено выше, распределение зарядов зависит от формы тела. Больше всего статического электричества собирается на выступах, особенно на острых концах (см. рис. 3, 4).

Как видно из рисунка 4 плотность распределения зарядов на вогнутых поверхностях минимальна. Электростатическое поле сплошных и полых проводников не отличается, если их поверхности идентичны. Другими словами все токопроводящие тела с одинаковыми поверхностями обладают одинаковыми поверхностными плотностями.

На сферических поверхностях статическое электричество распределяется равномерно. Ёмкость конденсатора (сферического) вычисляют по формуле:

где R₁ и R₂ – внешний и внутренний радиусы сферического конденсатора.

Распределение статического электричества на сфере иллюстрирует рисунок 5. Обратите внимание на то, что внутри сферического тела, как впрочем, и любого другого, заряды отсутствуют: вектор E=0, φ=const.

Вы, наверно, слышали о клетке Фарадея. Человек, находящийся в замкнутом пространстве из токопроводящего материала, то есть в клетке, не ощущает на себе влияния мощных разрядов. Статическое электричество стекает по поверхностям стенок клетки на землю, и не могут попасть внутрь клетки.

Применение на практике

• Особенности распределения статического электричества учитывают в электротехнике. Например, для передачи больших токов используют кабеля с большим сечением. Чем больше площадь поверхности провода, тем меньше сопротивление встречают электроны, а значит меньше энергии уходит на нагревание.
• Эффект поверхностного распределения зарядов сильнее проявляется при передаче высокочастотных токов. Токопроводящий слой в таких случаях ещё тоньше, чем в проводах с постоянным током. Это является одной из причин использования переменного тока. Потери при его передачи оказались меньшими, чем при передаче постоянного напряжения.
• На стремлении заряженных частиц к расположению на поверхностях проводников основаны действия защитных пакетов для чувствительной электроники. Пакеты работают по принципу клетки Фарадея. На их поверхностях оседают все электростатические заряды, но они не могут попасть внутрь упаковки.
• На этом же принципе работают электростатические генераторы, накапливающие статическое электричество на сферической поверхности. Разность потенциалов достигает миллионов вольт. Накопленное электричество используют для работы высоковольтных ускорителей.

Что такое электрическое поле, его классификация и характеристики

Нас окружает материальный мир. Материю мы воспринимаем с помощью зрения и других органов чувств. Отдельным видом материи является электрическое поле, которое можно выявить только через его влияние на заряженные тела или с помощью приборов. Оно порождает магнитные поля и взаимодействует с ними. Эти взаимодействия нашли широкое практическое применение.

Определение

Электрическое поле неразрывно связано с магнитным полем, и возникает в результате его изменения. Эти два вида материи являются компонентами электромагнитных полей, заполняющих пространство вокруг заряженных частиц или заряженных тел.

Таким образом, данный термин означает особый вид материи, обладающий собственной энергией, являющийся составным компонентом векторного электромагнитного поля. У электрического поля нет границ, однако его силовое воздействие стремится к нулю, при удалении от источника – заряженного тела или точечных зарядов [1].

Важным свойством полевой формы материи является способность электрического поля поддерживать упорядоченное перемещение носителей зарядов.

Энергия электрического поля подчиняется действию закона сохранения. Её можно преобразовать в другие виды или направить на выполнение работы.

Силовой характеристикой полей выступает их напряжённость – векторная величина, численное значение которой определяется как отношение силы, действующей на пробный положительный заряд, к величине этого заряда.

Характерные физические свойства:

• реагирует на присутствие заряженных частиц;
• взаимодействует с магнитными полями;
• является движущей силой по перемещению зарядов – как положительных ионов, таки отрицательных зарядов в металлических проводниках;
• поддаётся определению только по результатам наблюдения за проявлением действия.

Оно всегда окружает неподвижные статичные (не меняющиеся со временем) заряды, поэтому получило название – электростатическое. Опыты подтверждают, что в электростатическом поле действуют такие же силы, как и в электрическом.

Электростатическое взаимодействие поля на заряженные тела можно наблюдать при поднесении наэлектризованной эбонитовой палочки к мелким предметам. В зависимости от полярности наэлектризованных частиц, они будут либо притягиваться, либо отталкиваться от палочки.

Сильные электростатические поля образуются вблизи мощных электрических разрядов. На поверхности проводника, оказавшегося в зоне действия разряда, происходит перераспределение зарядов.

Вследствие распределения зарядов проводник становится заряженным, что является признаком влияния электрического поля.

Классификация

Электрические поля бывают двух видов: однородные и неоднородные.

Однородное электрическое поле

Состояние поля определяется пространственным расположением линий напряжённости. Если векторы напряжённости идентичны по модулю и они при этом сонаправлены во всех точках пространства, то электрическое поле – однородно. В нём линии напряжённости расположены параллельно.

В качестве примера является электрическое поле, образованное разноимёнными зарядами на участке плоских металлических пластин (см. рис. 2).

Неоднородное электрическое поле

Чаще встречаются поля, напряжённости которых в разных точках отличаются. Линии напряжённости у них имеют сложную конфигурацию. Простейшим примером неоднородности является электрический диполь, то есть система из двух разноимённых зарядов, влияющих друг на друга (см. рис. 3). Несмотря на то, что векторы напряжённости электрического диполя образуют красивые линии, но поскольку они не равны, то такое поле неоднородно. Более сложную конфигурацию имеют вихревые поля (рис 4). Их неоднородность очевидна.

Характеристики

Основными характеристиками являются:

• потенциал;
• напряжённость;
• напряжение.

Потенциал

Термин означает отношение потенциальной энергии W, которой обладает пробный заряд q′ в данной точке к его величине. Выражение φ =W/q′. называется потенциалом электрического поля в этой точке.

Другими словами: количество накопленной энергии, которая потенциально может быть потрачена на выполнение работы, направленной на перемещение единичного заряда в бесконечность, или в другую точку с условно нулевой энергией, называется потенциалом рассматриваемого электрического поля в данной точке.

Энергия поля учитывается по отношению к данной точке. Её ещё называют потенциалом в данной точке. Общий потенциал системы равен сумме потенциалов отдельных зарядов. Это одна из важнейших характеристик поля. Потенциал можно сравнить с энергией сжатой пружины, которая при высвобождении способна выполнить определённую работу.

Единица измерения потенциала – 1 вольт. При бесконечном удалении точки от наэлектризованного тела, потенциал в этой точке уменьшается до 0: φ_∞=0.

Напряжённость поля

Достоверно известно, что электрическое поле отдельно взятого заряда q действует с определённой силой F на точечный пробный заряд, независимо от того, на каком расстоянии он находится. Сила, действующая на изолированный положительный пробный заряд, называется напряжённостью и обозначается символом E.

Напряжённость – векторная величина. Значение модуля вектора напряжённости: E=F/q′.

Линиями напряжённости электрического поля (известные как силовые линии), называются касательные, которые в точках касания совпадают с ориентацией векторов напряжённости. Плотность силовых линий определяет величину напряжённости.

Напряженность вокруг точечного заряда Q на расстоянии r от него, определяется по закону Кулона: E = 14πε₀⋅Qr2. Такие поля называют кулоновскими.

Векторы напряженности положительного точечного заряда направлены от него, а отрицательного – до центра (к заряду). Направления векторов кулоновского поля видно на рис. 6.

Для кулоновских полей справедлив принцип суперпозиции. Суть принципа в следующем:вектор напряжённости нескольких зарядов может быть представлен в виде геометрической суммы напряжённостей, создаваемых каждым отдельно взятым зарядом, входящих в эту систему.

Для общего случая распределения зарядов имеем:

Линии напряжённости схематически изображены на рисунке 7. На картинке видно линии, характерные для полей:

• электростатического;
• дипольного;
• системы и одноимённых зарядов;
• однородного поля.

Напряжение

Поскольку силы электрического поля способны выполнять работу по перемещению носителей элементарных зарядов, то наличие поля является условием для существования электрического тока. Электроны и другие элементарные заряды всегда двигаются от точки, обладающей более высоким потенциалом, к точке с низшим потенциалом. При этом часть энергии расходуется на выполнение работы по перемещению.

Для поддержания постоянного тока (упорядоченного движения носителей элементарных зарядов) необходимо на концах проводника поддерживать разницу потенциалов, которую ещё называют напряжением. Чем больше эта разница, тем активнее выполняется работа, тем мощнее ток на этом участке. Функции по поддержанию разницы потенциалов возложены на источники тока.

Методы обнаружения

Органы чувств человека не воспринимают электрических полей. Поэтому мы не можем их увидеть, попробовать на вкус или определить по запаху. Единственное, что может ощутить человек – это выпрямление волос вдоль линий напряжённости. Наличие слабых воздействий мы просто не замечаем.

Обнаружить их можно через воздействие на мелкие кусочки бумаги, бузиновые шарики и т.п. Электрическое поле воздействует на электроскоп – его лепестки реагируют на такие воздействия.

Очень простой и эффективный метод обнаружения с помощью стрелки компаса. Она всегда располагается вдоль линий напряжённости.

Существуют очень чувствительные электронные приборы, с лёгкостью определяющие наличие электростатических полей.

Методы расчета электрического поля

Для расчётов параметров используются различные аналитические или численные методы:

• метод сеток или конечных разностей;
• метод эквивалентных зарядов;
• вариационные методы;
• расчёты с использованием интегральных уравнений и другие.

Выбор конкретного метода зависит от сложности задачи, но в основном используются численные методы, приведённые в списке.

Использование

Изучение свойств электрического поля открыло перед человечеством огромные возможности. Способность поля перемещать электроны в проводнике позволила создавать источники тока.

На свойствах электрических полей создано различное оборудование, применяемое в медицине, химической промышленности, в электротехнике. Разрабатываются приборы, применяемые в сфере беспроводной передачи энергии к потребителю. Примером могут послужить устройства беспроводной зарядки гаджетов. Это пока только первые шаги на пути к передачи электричества на большие расстояния.

Сегодня, благодаря знаниям о свойствах полевой формы материи, разработаны уникальные фильтры для очистки воды. Этот способ оказался дешевле, чем использование традиционных сменных картриджей.

К сожалению, иногда приходится нейтрализовать силы полей. Обладая способностью электризации предметов, оказавшихся в зоне действия, электрические поля создают серьёзные препятствия для нормальной работы радиоэлектронной аппаратуры. Накопленное статическое электричество часто является причиной выхода из строя интегральных микросхем и полевых транзисторов.