Как силовые линии сделать видимыми
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 18.09.2024
Мы не можем увидеть глазами электрическое поле. Мы не можем его пощупать или попробовать на вкус (хотя, вероятно, оно очень вкусное). Единственное, как мы можем определить наличие электрического поля это по воздействию на помещенные в него заряды.
Представление поля наглядно с помощью силовых линий
Однако для того, чтобы все-таки иметь возможность представить электрическое поле наглядно, можно зарисовать векторы напряженности поля в разных точках пространства.
Если же нарисовать линии, исходящие из источника поля и распространяющиеся по пространству, при этом касательные к линиям в любой точке будут направлены так же, как и векторы напряженности, то мы получим довольно четкую образную картину распределения поля в пространстве.
Такие линии называют силовыми линиями электрического поля. Иное их название линии напряженности электрического поля. По направлению силовых линий всегда можно определить направление вектора напряженности, а по их густоте где напряженность поля больше.
Следует понимать, что силовые линии нереальны, как и любые другие воображаемые объекты. Это лишь вспомогательный инструмент для наглядного представления картины напряженности поля.
Однако в ряде экспериментов силовые линии можно сделать видимыми. Так же как и в случае с магнитным полем, при помощи которого можно распределить металлические опилки вдоль магнитных линий, так и частички изолятора в густой проводящей жидкости при помещении их внутрь электрического поля, выстроятся вдоль линий напряженности.
Электрическое поле в подавляющем большинстве своем неоднородно его интенсивность уменьшается при удалении от источника поля, а силовые линии расходятся в пространстве в разные стороны.
Однако поле может быть и однородным в некоторых случаях. Например, между двумя расположенными рядом, параллельными, разноименно заряженными пластинами силовые линии будут располагаться параллельно, а напряженность поля в каждой точке будет практически одинаковой. В таком случае поле называют однородным.
Следует помнить, что силовые линии электрического поля не замкнуты, они берут начало на положительных зарядах, а оканчиваются на отрицательных. Также силовые линии не пересекаются и не прерываются.
Напряжённость поля заряженного шара
В случае, когда мы имеем заряженный проводящий шар, то картина распределения силовых линий поля вокруг шара будет идентична картине распределения силовых линий вокруг точечного заряда.
Заряд равномерно распределяется по поверхности шара, а силовые линии направлены вдоль продолжений радиусов. Напряженность поля заряженного шара вне границ шара также совпадает с напряженностью поля точечного заряда, помещенного в центр сферы.
То есть, чтобы описать картину напряженности поля и силовых линий вокруг заряженного шара можно условно поместить в центр шара точку и нарисовать картину поля вокруг точки, но только вне границ шара. Внутри шара напряженность поля в каждой точке равна нулю.
Магнитно'е поле создаётся не только пру помощи естественных или искусственных магнитов, представляющих собой куски железа. Оно создаётся также электри-
Рнс. 14. Магнитное поле магнита.
Чем сильнее ток, который проходит через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее её магнитное поле.
Это поле можно ещё значительно усилить, если поместить внутри катушки железный сердечник. В этом случае магнитное поле тока намагнитит железный сердечник и в результате магнитное поле катушки усилится во много раз.
Магнитное поле действует не только на магнитные стрелки и железные опилки, оно действует и на проводники, по которым идёт электрический ток. Это явление нашло себе широчайшее практическое применение. Примером этого являются электромоторы. Вращение валов
Магнитные силовые линии
Рис. 15. Магнитное поле длинной катушки.
Моторов объясняется как раз действием магнитного поля на уложенную в пазы якоря обмотку, по которой идёт ток.
Но ведь ток, идущий по проводнику, представляет собой движение электронов. И если магнитное поле действует на электроны, движущиеся в проводнике, то почему оно не может действовать на электроны, которые движутся свободно, например, на электроны, пролетающие в разреженном пространстве электронно-лучевой трубки.
Так в действительности и происходит. Электронные лучи отклоняются в трубке под действием магнитного поля в сторону. Рассмотрим это интересное явление ближе.
Расположим катушку с током, которая создаёт магнитное поле, так, как это изображено на рисунке 16. На рисунке показано, как изменил электронный луч, проходящий через магнитное поле, направление своего движения. Электронный луч изогнулся. Таким образом под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно к движению электронов, электроны движутся
Преломляющее действие магнитного поля на электронные лучи оказывается тем более сильным, чем сильнее магнитное поле и чем меньше скорость электронов в электронном луче. Это значит, что в случае, изображённом на рисунке, искривление электронного луча будет тем больше, чем сильнее магнитное поле и чем медленнее летят электроны. Когда магнитные силы направлены перпендикулярно к движению электронов, электронный луч искривляется сильнее всего. Именно этот случай и показан на рисунке 16. Но любое, даже самое сильное магнитное поле совсем не действует на электроны, которые летят строго вдоль магнитных силовых линий.
Что же, однако, будет, если электроны влетят в магнитное поле не перпендикулярно к нему, но и не вдоль него, а под некоторым промежуточным углом?
Рис. 17. Электрон движется в магнитном поле по спирали.
До включения тока в катушке, т. е. до создания внутри неё магнитного поля, электронные лучи будут падать на флюоресцирующий экран расходящимся пучком, давая там сравнительно широкое светящееся пятно. Стоит, однако, пустить в катушку ток и соответствующим образом подобрать его силу, как это пятно превратится в узенькое пятнышко.
Что же сделало с расходящимся электронным пучком магнитное поле катушки? Оно собрало электронные лучи в одну точку, т. е. подействовало так, как действует на расходящийся пучок световых лучей стеклянная линза. Электроны, влетающие в магнитное поле катушки расходящимся пучком, движутся в нём по винтовым линиям, как бы ввинчиваясь в магнитное поле.
Однако если катушка достаточно длинна, то она является мало полезной линзой. Она только собирает электронные лучи, но ещё не даёт увеличения. Если поместить внутри длинной катушки предмет, испускающий электроны, то она даст изображение этого предмета по величине равное самому предмету.
Но магнитную линзу можно сделать и увеличивающей. Для этого нужно взять не длинную, а короткую катушку, но сохранить у нее большее число витков. В такой катушке магнитное поле будет и достаточно сильным (большое число витков) и, что важно, сосредоточенным на небольшом пространстве.
Собирающее действие короткой магнитной линзы на расходящийся пучок электронных лучей объясняется тем, что чем дальше от оси они входят в линзу, тем сильнее их закручивает и пригибает к оси магнитное поле.
Увеличивающее же действие этой линзы объясняется тем, что, проходя через магнитное поле, сосредоточенное в небольшом пространстве, электроны успевают описать только часть спирали; поэтому они вылетают из линзы, сильно отклонившись в сторону от первоначального направления движения, и изображение точки предмета получится дальше от оптической оси магнитной линзы, чем находится точка самого предмета. Тем самым получится увеличенное изображение предмета.
Магнитная линза тем сильнее преломляет электронные лучи, и, следовательно, даёт тем большее увеличение, чем сильнее магнитное поле, чем на меньшем пространстве оно сосредоточено и, наконец, чем меньше скорость электронов.
Поместите теперь перед магнитной линзой предмет, испускающий электроны, и вы получите при её помощи увеличенное или уменьшённое изображение предмета
(в зависимости от расстояния предмета до линзы). И если только электроны имеют достаточную скорость, это изображение можно увидеть на флюоресцирующем экране или сфотографировать. Именно так и были устроены первые электронные микроскопы с магнитными линзами.
На рисунке 18 изображена магнитная линза с железным сердечником или, как его называют, п а н ц ы р е м.
Напряженность электрического поля. Физическая природа электрического поля и его графическое изображение. В пространстве вокруг электрически заряженного тела существует электрическое поле, представляющее собой один из видов материи. Электрическое поле обладает запасом электрической энергии, которая проявляется в виде электрических сил, действующих на находящиеся в поле заряженные тела.
Рис. 4. Простейшие электрические поля: а – одиночных положительного и отрицательного зарядов; б – двух разноименных зарядов; в – двух одноименных зарядов; г – двух параллельных и разноименно заряженныx пластин (однородное поле)
Электрическое поле условно изображают в виде электрических силовых линий, которые показывают направления действия электрических сил, создаваемых полем. Принято направлять силовые линии в ту сторону, в которую двигалась бы в электрическом поле положительно заряженная частица. Как показано на рис. 4, электрические силовые линии расходятся в разные стороны от положительно заряженных тел и сходятся у тел, обладающих отрицательным зарядом. Поле, созданное двумя плоскими разноименно заряженными параллельными пластинами (рис. 4, г), называется однородным .
Электрическое поле можно сделать видимым, если поместить в него взвешенные в жидком масле частички гипса: они поворачиваются вдоль поля, располагаясь по его силовым линиям (рис. 5).
Напряженность электрического поля. Электрическое поле действует на внесенный в него заряд q (рис. 6) с некоторой силой F. Следовательно, об интенсивности электрического поля можно судить по значению силы, с которой притягивается или отталкивается некоторый электрический заряд, принятый за единицу. В электротехнике интенсивность поля характеризуют напряженностью электрического поля Е. Под напряженностью понимают отношение силы F, действующей на заряженное тело в данной точке поля, к заряду q этого тела:
E = F / q (1)
Рис. 5. Картина распределения силовых линий электрического поля: а – заряженный шар; б – разноименно заряженные шары; в – разноименно заряженные параллельные пластины
Поле с большой напряженностью Е изображается графически силовыми линиями большой густоты; поле с малой напряженностью — редко расположенными силовыми линиями. По мере удаления от заряженного тела силовые линии электрического поля располагаются реже, т. е. напряженность поля уменьшается (см. рис. 4 а,б и в). Только в однородном электрическом поле (см. рис. 4, г) напряженность одинакова во всех его точках.
Рис. 6. Схема действия электрического поля на внесенный в него электрический заряд q
Электрический потенциал. Электрическое поле обладает определенным запасом энергии, т. е. способностью совершать работу. Как известно, энергию можно также накопить в пружине, для чего ее нужно сжать или растянуть. За счет этой энергии можно получить определенную работу. Если освободить один из концов пружины, то он сможет переместить на некоторое расстояние связанное с этим концом тело. Точно так же энергия электрического поля может быть реализована, если внести в него какой-либо заряд. Под действием сил поля этот заряд будет перемещаться по направлению силовых линий, совершая определенную работу.
Для характеристики энергии, запасенной в каждой точке электрического поля, введено специальное понятие — электрический потенциал. Электрический потенциал ? поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы положительного заряда из этой точки за пределы поля.
Понятие электрического потенциала аналогично понятию уровня для различных точек земной поверхности. Очевидно, что для подъема локомотива в точку Б (рис. 7) нужно затратить большую работу, чем для подъема его в точку А. Поэтому локомотив, поднятый на уровень Н2, при спуске сможет совершить большую работу, чем локомотив, поднятый на уровень Н2 За нулевой уровень, от которого производится отсчет высоты, принимают обычно уровень моря.
Рис. 8. Разность потенциалов U между точками А и Б электрического поля определяет работу, которая затрачивается на перемещение заряда q между этими точками
Точно так же за нулевой потенциал условно принимают потенциал, который имеет поверхность земли.
Электрическое напряжение. Различные точки электрического поля обладают разными потенциалами. Обычно нас мало интересует абсолютная величина потенциалов отдельных точек электрического поля, но нам весьма важно знать разность потенциалов ?1—?2 между двумя точками поля А и Б (рис. 8). Разность потенциалов ?1 и ?2 двух точек поля характеризует собой работу, затрачиваемую силами поля на перемещение единичного заряда из одной точки поля с большим потенциалом в другую точку с меньшим потенциалом. Точно так же нас на практике мало интересуют абсолютные высоты Н1и Н2 точек А и Б над уровнем моря (см. рис. 7), но для нас важно знать разность уровней И между этими точками, так как на подъем локомотива из точки А в точку Б надо затратить работу, зависящую от величины Я. Разность потенциалов между двумя точками поля носит название электрического напряжения. Электрическое напряжение обозначают буквой U (и). Оно численно равно отношению работы W, которую нужно затратить на перемещение положительного заряда q из одной точки поля в другую, к этому заряду, т. е.
U = W / q (2)
Следовательно, напряжение U, действующее между различными точками электрического поля, характеризует запасенную в этом поле энергию, которая может быть отдана путем перемещения между этими точками электрических зарядов.
Электрическое напряжение — важнейшая электрическая величина, позволяющая вычислять работу и мощность, развиваемую при перемещении зарядов в электрическом поле. Единицей электрического напряжения служит вольт (В). В технике напряжение иногда измеряют в тысячных долях вольта — милливольтах (мВ) и миллионных долях вольта — микровольтах (мкВ). Для измерения высоких напряжений пользуются более крупными единицами — киловольтами (кВ) — тысячами вольт.
Напряженность электрического поля при однородном поле представляет собой отношение электрического напряжения, действующего между двумя точками поля, к расстоянию l между этими точками:
E = U / l (3)
Напряженность электрического поля измеряют в вольтах на метр (В/м). При напряженности поля в 1 В/м на заряд в 1 Кл действует сила, равная 1 ньютону (1 Н). В некоторых случаях применяют более крупные единицы измерения напряженности поля В/см (100 В/м) и В/мм (1000 В/м).
Направление силы, действующей на элементарный положительный заряд, обозначают силовыми линиями электрического поля. По сути, это воображаемые полоски со стрелками, позволяющими наглядно увидеть, как распространяется энергия при взаимодействии частиц.
Свойства и форма изображения распределения позволяет судить о течении явления, определять его главные характеристики. То есть анализировать поле, находить его неоднородности и величину напряжённости.
Общие сведения
Неким фундаментальным свойством природы является электрический заряд. Один из разделов физики занимается изучением его свойств и взаимодействия, называется он электродинамикой. Наиболее интересно для учёных изучение влияния друг на друга заряженных тел.
Бум исследования электрических явлений пришёлся на XIX век. В это время появилось две теории, одна из которых оказалась ошибочной и была опровергнута экспериментами. Эта догадка называлась правилом дальнодействия. Согласно ей один заряд непосредственно действует на другой. То есть чем больше расстояние между взаимодействующими телами, тем меньше сила действия.
Опыты, проводимые Фарадеем, показали, что если из системы убрать одно из тел, то сила, действующая на вторую частицу, не изменится мгновенно, хотя это и произойдёт довольно скоро. Именно Фарадей и является открывателем электромагнитного поля. В дальнейшем Максвелл смог описать явление теоретически.
Им было установлено, что заряд испытывает влияние поля, даже если поблизости его нет других частиц. Эта сила представляет собой электромагнитную волну.
Электрическое поле можно обнаружить, поместив в неё другой заряд, и исследовать действие наблюдающийся силы. Электромагнитную материю можно описать количественно, поэтому, зная характеристики поля и заряда, можно определить величину силы.
К основным параметрам электростатического поля, то есть материи, созданной неподвижной частицей в пространстве, относят:
Таким образом, если есть система заряженных тел, то в любой её точке будет существовать силовое электрическое поле. Его можно исследовать через силу, действующую на заряд, находящийся в этой материи.
Так как визуально вектор увидеть нельзя, то используют так называемые силовые линии, указывающие, куда направлено воздействие.
Свойство линий
За величину силы электрополя в пространстве окутывающего тело принимают количество заряда обратного квадрату расстояния до него. Принято, что направление распространения действия направлено от положительного потенциала к отрицательному. Обозначают поле буквой E, а напряжённость H. Причём это векторная величина, представляемая в виде стрелки с определённой длиной и направлением.
Так как заряд — это источник, то его окружает множество векторов напряжённости. Чтобы не изображать их бесчисленное число, используют силовые линии. Другое их название — интегральные кривые. По сути, это объединённые векторы, где они сами являются касательными к точкам.
Распространение силовых кривых подчиняется определённым правилам.
К основным из них относят следующие:
- линии имеют начало и конец;
- если силы выходят из одной точки или сходятся в ней, то такое распределение будет радиальным;
- когда кривые не пересекаются, то материя считается однородной, в ином же случае неоднородной (силовые линии не параллельны);
- силы электрического поля всегда перпендикулярны поверхности тела.
Изображение линий подчиняется различными правилами. Так, для частиц с большим зарядом плотность линий должна быть выше, чем с меньшим. Если заряд недалеко от источника, то плотность силовых линий гуще. Для кривых проходящих перпендикулярно первичным силам используют эквипотенциальное изображение. Такой тип образуют замкнутые контуры. В них каждая точка напряжённости будет иметь одинаковое значение потенциала. При пересечении частицей линий говорят о совершении работы.
С помощью линий наглядно показывают направление вектора напряжённости в разных точках материи. Для этого их рисуют так, что касательная к каждой будет параллельна напряжённости. Но из-за того, что прямая указывает направление вектора с точностью до 180°, задают полярность обхода. Поэтому стрелку чертят так, чтобы она была сонаправлена с напряжённостью.
Силы электрического поля не могут пересекаться, а эквипотенциальные кривые образуют замкнутые контуры. В тех же точках, где линии перекрещиваются друг с другом, взаимодействие происходит в перпендикулярной плоскости.
Иными словами, на рисунке получается изображение, напоминающее собой координатную сетку. Причём по точкам пересечения и описывают характер электрополя.
Напряжённость поля
Взаимодействие между заряженными телами описывается количественной характеристикой, определяющей структуру материи. Эта величина называется напряжённостью и определяется из отношения E = F / q, где F — сила, а q — заряд, помещённый в поле. Для однородной изотропной среды выражение можно получить, используя закон Кулона: E = (1 / 4 pE) * (q * r / er 2 r), где r — радиус-вектор.
Читайте также: