Часто в силу тех или иных обстоятельств оказывается удобным задавать электрические поля в пространстве не аналитически с пощью формул, а графически, рисуя карты электрического поля. Такое графическое представление полей удобно проводить, используя силовые линии электрического поля или, как их иначе называют, линии напряженности электрического поля.
Назовем силовой линией электрического поля линию, которая начинается на положительных зарядах и заканчивается на отрицательных. Проходят эти линии так, чтобы касательная, проведенная к этой линии в каждой ее точке, совпала с вектором напряженности электрического поля. Силовые линии электрического поля нигде не пересекаются (только на зарядах), располагаются перпендикулярно к заряженным поверхностям. Их принято проводить так, чтобы по густоте расположения линий можно было судить о величине напряженности поля. Рассмотрим несколько примеров проведения силовых линий. На рис. 2 нарисованы силовые линии положительного точечного заряда, а на рис. 3 – силовые линии диполя.
 |
|||||||
|
|
||||||
Поток вектора напряженности электрического поля
Теорема Гаусса
Принцип суперпозиции электрических полей позволяет подсчитать электрическое поле любой системы зарядов. Но есть еще один способ подсчета напряженности электрического поля. Им удобно пользоваться всегда, когда заряды, создающие поле, распределены в пространстве симметрично. Причем вид симметрии может быть любым. Введем некоторую вспомогательную физическую величину, которая называется поток вектора напряженности электрического поля через поверхность. Обозначим этот поток буквой N . Проще всего ввести поток вектора Е для случая однородного электрического поля. Пусть некоторая плоская площадка S находится в однородном электрическом поле. Назовем
потоком вектора Е
через площадку (рис. 4)
величину 
,
здесь a – угол между нормалью n к нашей
площадке и вектором Е . Поскольку проекция
вектора Е на направление нормали может быть
записана как 
последнее равенство может быть переписано в виде
В общем случае поток dN через площадку dS запишется , а поток через S находится, как
(6) Интегрирование в формуле (6) ведется по всей интересующей нас поверхности S . Это самое общее определение потока Е через поверхность S . Им мы и будем пользоваться в дальнейшем.
Попробуем теперь подсчитать поток вектора Е через сферическую поверхность радиуса r, в центре которой находится точечный заряд q (рис.5). Поток вектора Е через сферическую поверхность S можно записать
последнее равенство выражение длянапряженности поля точечного заряда и учтем, что силовые линии поля точечного заряда перпендикулярны к сферической поверхности, т.е. направлены вдоль нормали к ней и в силу этого равно модулю Е .
В подынтегральном выражении все сомножители кроме dS
остаются на поверхности сферы постоянными и их можно вынести за знак интеграла. Интеграл же по сферической поверхности от ее элемента равен площади этой поверхности. В итоге, можно записать
Какой бы замкнутой поверхностью мы не окружали бы этот заряд, поток через нее был бы таким же. Если внутрь этой поверхности попали бы и другие заряды, поток Е был бы пропорционален алгебраической сумме этих зарядов. Все сказанное можно сформулировать в виде теоремы, которую принято называть теоремой Гаусса.
Поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов, окруженных этой поверхностью.
(7) Как уже говорилось, эта теорема оказывается очень удобной для подсчета напряженностей полей, созданных зарядами, распределенными в пространстве с той или иной симметрией. Эта теорема отражает одно из очень важных свойств электрических полей и к ней нам придется в дальнейшем обращаться неоднократно. В заключение следует сказать, что мы не доказывали строго эту теорему. Доказательство требует громоздких математических выкладок. Мы рассмотрели лишь частный пример и на его основе обобщили результат на общую ситуацию. Однако это ни в коей мере не умаляет важность полученного результата.
· Силовые линии электрического поля имеют начало и конец. Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
· Силовые линии электрического поля всегда перпендикулярны поверхности проводника.
· Распределение силовых линий электрического поля определяет характер поля. Поле может быть радиальным (если силовые линии выходят из одной точки или сходятся в одной точке), однородным (если силовые линии параллельны) и неоднородным (если силовые линии не параллельны).
20)
Напоминаю, что это энергетические характеристики электрического поля.
Потенциал электрического поля в любой его точке определяется как
. 
и равен потенциальной энергии единичного заряда, внесенного в данную точку поля.
Если заряд переместить в поле из точки 1 в точку 2, то между этими точками возникает разность потенциалов
.
Смысл разности потенциалов: это работа электрического поля по перемещению заряда из одной точки в другую.
Потенциал поля также можно интерпретировать через работую Если т.2 находится в бесконечности, где поля нет (), то 
- это работа поля по перемещению заряда из данной точки в бесконечность. Потенциал поля, созданного одиночным зарядом рассчитывается как 
.
Поверхности, в каждой точке которой потенциалы поля одинаковы, называются эквипотенциальными поверхностями. В поле диполя потенциальные поверхности распределены следующим образом:
Потенциал поля, образованного несколькими зарядами, рассчитывается по принципу суперпозиции: .
а) Расчет потенциала в т. А, расположенной не на оси диполя:
Найдем из треугольника (
). Очевидно, . Поэтому 
и 
.
.
б) Между точками А и В, равноотстоящими от диполя на расстоянии
() разность потенциалов определяется как (примем без доказательства, которое Вы найдете в учебнике Ремизова)
.
в) Можно показать, что если диполь находится в центре равностороннего треугольника, то разность потенциалов между вершинами треугольника соотносятся как проекции вектора на стороны этого треугольника (
).
21)
- рассчитывается работа электрического поля вдоль силовых линий.
1. Работа в электрическом поле не зависит от формы пути.
2. Работа перпендикулярная силовым линиям не совершается.
3. По замкнутому контуру работа в электрическом поле не совершается.
Энергетическая характеристика электрического поля (потанцеал).
1) Физический смысл:
Если Кл, то (численно), при условии что заряд помещён в данную точку электрического поля.
Единица измерения:
2) Физический смысл:
Если в данную точку поместить единичный положительный точечный заряд, то (численно), при перемещении из данной точки в бесконечность.
Δφ - разность потанцеала двух точек электрического поля.
U – напряжение – «у» - это разность потанцеалов двух точек электрического поля.
[U]=В (Вольт)
Физический смысл:
Если , то (численно) при перемещении из одной точки поля в другую.
Связь между напряжением и напряженностью:
22)
В электростатическом поле все точки проводника имеют один и тот же потенциал, который пропорционален заряду проводника, т.е. отношения заряда q к потенциалу φ не зависит от заряда q. (Электростатическим называется поле, окружающее неподвижные заряды). Поэтому оказалось возможным ввести понятие электрической ёмкости C уединённого проводника:
Электроёмкость - это величина, численно равная заряду, который нужно сообщить проводнику, чтобы его потенциал изменился на единицу.
Ёмкость определяется геометрическими размерами проводника, его формой и свойствами окружающей среды и не зависит от материала проводника.
Единицы измерения для величин, входящих в определении ёмкости:
Ёмкость - обозначение C, единица измерения - Фарад (Ф, F);
Электрический заряд - обозначение q, единица измерения - кулон (Кл, С);
φ - потенциал поля - вольт (В, V).
Можно создать систему проводников, которая будет обладать ёмкостью гораздо большей, чем отдельный проводник, не зависящей от окружающих тел. Такую систему называют конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух проводящих пластин, расположенных на малом расстоянии друг от друга (Рис.1.9). Электрическое поле конденсатора сосредоточено между обкладками конденсатора, то есть внутри его. Ёмкость конденсатора:
С = q / (φ1 - φ2) = q / U
(φ1 - φ2) - разность потенциалов между обкладками конденсатора, т.е. напряжение.
Ёмкость конденсатора зависит от его размеров, формы и диэлектрической проницаемости ε диэлектрика, находящегося между обкладками.
C = ε∙εo∙S / d, где
S - площадь обкладки;
d - расстояние между обкладками;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика между обкладками;
εo - электрическая постоянная 8,85∙10-12Ф/м.
При необходимости увеличить ёмкость конденсаторы соединяют между собой параллельно.
Рис.1.10. Параллельное соединение конденсаторов.
Cобщ = C1 + C2 + C3
При параллельном соединении все конденсаторы находятся под одним напряжением, а общий их заряд Q. При этом каждый конденсатор получит заряд Q1, Q2, Q3, ...
Q = Q1 + Q2 + Q3
Q1 = C1∙U; Q2 = C2∙U; Q3 = C3∙U. Подставим в вышестоящее уравнение:
C∙U = C1∙U + C2∙U + C3∙U, откуда C = C1 + C2 + C3 (и так для любого количества конденсаторов).
При последовательном соединении:
Рис.1.11. Последовательное соединение конденсаторов.
1/Cобщ = 1/C1 + 1/C2 + ∙∙∙∙∙ + 1/ Cn
Вывод формулы:
Напряжение на отдельных конденсаторах U1, U2, U3,..., Un. Общее напряжение всех конденсаторов:
U = U1 + U2 + ∙∙∙∙∙ + Un,
учитывая, что U1 = Q/ C1; U2 = Q/ C2; Un = Q/ Cn, подставив и разделив на Q, получимсоотношение для расчета емкости цепи с последовательныи соединением конденсаторов
Единицы измерения ёмкости:
Ф - фарад. Это очень большая величина, поэтому используют меньшие величины:
1 мкФ = 1 μF = 10-6Ф (микрофарада);
1 нФ = 1 nF = 10-9 Ф (нанофарада);
1 пФ = 1pF = 10-12Ф (пикофарада).
23) Если проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю (см. § 43). Однако в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо выполнение двух условий:
1) наличие свободных зарядов в проводнике – носителей тока;
2) наличие электрического поля в проводнике.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 11.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:
Упорядоченное движение свободных носителей тока в проводнике характеризуется скоростью упорядоченного движения носителей. Эта скорость называется скоростью дрейфа
носителей тока. Пусть цилиндрический проводник (рис. 11.1) имеет поперечное сечение площадью S
. В объеме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием ∆х
между ними содержится число носителей тока ∆N
= nS
∆х
, где n
– концентрация носителей тока. Их общий заряд ∆q = q 0 ∆N
= q 0 nS
∆х
. Если под действием электрического поля носители тока движутся слева направо со скоростью дрейфа v др
, то за время ∆t=
∆x/v др
все носители, заключенные в этом объеме, пройдут через поперечное сечение 2 и создадут электрический ток. Сила тока равна:
. (11.2)
Плотностью тока называется величина электрического тока, протекающего через единицу площади поперечного сечения проводника:
. (11.3)
В металлическом проводнике носителями тока являются свободные электроны металла. Найдем скорость дрейфа свободных электронов. При силе тока I = 1А, площади поперечного сечения проводника S = 1мм 2 , концентрации свободных электронов (например, в меди) n = 8,5·10 28 м --3 и q 0 = e = 1,6·10 –19 Кл получим:
v др = .
Видим, что скорость направленного движения электронов очень мала, гораздо меньше скорости хаотичного теплового движения свободных электронов.
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.
Постоянный электрический ток может быть создан в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
ε . (11.2)
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Силовые линии силовы́е ли́нии
электрического и магнитного полей, линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением напряжённости электрического или соответственно магнитного поля; качественно характеризуют распределение электромагнитного поля в пространстве. Силовые линии - только наглядный способ изображения силовых полей.
СИЛОВЫ́Е ЛИ́НИИ, линии, проведенные в каком-либо силовом поле (см.
СИЛОВОЕ ПОЛЕ)
(электрическом, магнитном, гравитационном), касательные к которым в каждой точке поля совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле (вектор напряженности (см.
НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ)
электрического или гравитационного полей, вектор магнитной индукции (см.
МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ)
). Силовые линии - только наглядный способ изображения силовых полей. Впервые понятие «силовые линии» для электрических и магнитных полей ввел М.Фарадей (см.
ФАРАДЕЙ Майкл)
.
Так как напряженности полей и магнитная индукция - однозначные функции точки, то через каждую точку пространства может проходить только одна силовая линия. Густота силовых линий обычно выбирается так, чтобы число силовых линий, пересекающих единичную площадку, перпендикулярную к силовым линиям, было пропорционально напряженности поля (или магнитной индукции) на этой площадке. Т. о., силовые линии дают наглядную картину распределения поля в пространстве, характеризуя величину и направление напряженности поля.
Силовые линии электростатического поля (см.
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ)
всегда незамкнуты: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (или уходят на бесконечность).
Силовые линии нигде не пересекаются, так как в каждой точке поля его напряженность имеет одно единственное значение и определенное направление. Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля больше.
Силовые линии электрического поля в пространстве между двумя положительными зарядами расходятся; можно указать нейтральную точку, в которой поля сил отталкивания обоих зарядов гасят друг друга.
Силовые линии одиночного заряда представляют собой радиальные прямые, которые расходятся от заряда лучами, подобно силовым линиям гравитационного поля точечной массы или шара. Чем дальше от заряда, тем меньше густота линий - это иллюстрирует ослабление поля с увеличение расстояния.
Силовые линии, исходящие от заряженного проводника неправильной формы, сгущаются вблизи любого выступа или острия, вблизи вогнутостей или полостей густота силовых линий уменьшается.
Если силовые линии исходят от положительно заряженного острия, находящегося вблизи отрицательно заряженного плоского проводника, то они сгущаются вокруг острия, где поле очень сильное, и расходятся в большую область вблизи плоскости, на которой оканчиваются, входя в плоскость перпендикулярно.
Электрическое поле в пространстве между параллельными заряженными пластинами однородно. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу.
Если в силовое поле попадает частица, например электрон, то он под действием силового поля приобретает ускорение, и направление его движения не может точно следовать по направлению силовых линий, он будет двигаться в направлении вектора количества движения.
Магнитное поле (см.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ)
характеризуют линии магнитной индукции, в любой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной.
Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центры окружности находятся на оси проводника. Силовые линии вектора магнитной индукции всегда замкнуты, т. е. магнитное поле является вихревым. Железные опилки, помещенные в магнитное поле, выстраиваются вдоль силовых линий; благодаря этому можно экспериментально определять вид силовых линий магнитной индукции. Вихревое электрическое поле, порождаемое изменяющимся магнитным полем, также имеет замкнутые силовые линии.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Смотреть что такое "силовые линии" в других словарях:
Линии, мысленно проведённые в к. л. силовом поле (электрич.. магнитном, тяготения) так, что в каждой точке поля направление касательной к линии совпадает с направлением напряжённости поля (магнитной индукции в случае магнитного поля). Через… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Электрических и магнитных полей линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением напряженности электрического или соответствующего магнитного поля; качественно характеризуют распределенние электромагнитного поля в… … Большой Энциклопедический словарь
СИЛОВЫЕ ЛИНИИ, линии в ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ или МАГНИТНОМ ПОЛЕ, чье направление в любой точке направлено внутрь поля … Научно-технический энциклопедический словарь
Воображаемые линии, к рые проводят для изображения к. л. силового поля (электрич., магн., гравитац.). С. л. располагаются т. о., что касательные к ним в каждой точке пр ва совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле… … Физическая энциклопедия
силовые линии - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN lines of force …
Электрич. и магн. полей, линии, касательные к к рым в каждой точке поля совпадают с направлением напряжённости электрич. или соотв. магн. поля; качественно характеризуют распределение эл. магн. поля в пространстве. С. л. только наглядный способ… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Линии, проведённые в каком либо силовом поле (электрическом, магнитном, гравитационном), касательные к которым в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором, характеризующим данное поле (напряжённостью электрического или … Большая советская энциклопедия
Силовые линии интегральные кривые для векторного поля (сил). Силовые линии электрического поля перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям, а, значит, и к линиям равного потенциала. Их направление от «+» к « ». Метод силовых линий в… … Википедия
силовые линии магнитного поля - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN magnetic flux … Справочник технического переводчика
