Напряженность электромагнитного поля

Каждый из компонентов электромагнитного поля (электрический и магнитный) действуют на заряды по-разному. Электрическое поле действует как на покоящиеся заряды, так и на движущиеся заряды, тогда как магнитное поле действует только на движущиеся заряды (на электрические токи).

На самом деле нетрудно понять, что при магнитном взаимодействии взаимодействуют магнитные поля (например внешнее магнитное поле, источник которого не называется, но индукция которого известна, и магнитное поле порождаемое движущимся зарядом), а при электрическом взаимодействии — взаимодействуют электрические поля — внешнее электрическое поле, источник которого не называется, и электрическое поле рассматриваемого заряда.

Для удобства нахождения сил с помощью математического аппарата, в классической физике введены понятия напряженности электрического поля E и индукции магнитного поля B, а также связанная с индукцией магнитного поля и со свойствами магнитной среды, вспомогательная величина, напряженность магнитного поля H. Рассмотрим по отдельности данные векторные физические величины, и заодно разберемся в их физическом смысле.

Напряженность электрического поля E

Если в определенной точке пространства существует электрическое поле, то на помещенный в данную точку электрический заряд будет со стороны данного поля действовать сила F, пропорциональная напряженности электрического поля E и величине заряда q. Если параметры источника внешнего электрического поля не известны, то зная q и F, можно найти величину и направление вектора напряженности E электрического поля в данной точке пространства, не думая о том, что является источником этого электрического поля.

Если электрическое поле постоянное и однородное, то направление действия силы с его стороны на заряд не зависит от скорости и направления движения заряда относительно электрического поля, и поэтому не изменяется, будь заряд неподвижным или движущимся. Напряженность электрического поля в системе СИ измеряется в В/м (вольт на метр).

Индукция магнитного поля B

Если в данной точке пространства существует магнитное поле, то на помещенный в данную точку неподвижный электрический заряд со стороны данного поля никакого действия оказываться не будет.

Если же заряд q придет в движение, то сила F со стороны магнитного поля возникнет, причем она будет зависеть как от величины заряда q, так и от направления и скорости v его движения относительно этого поля и от величины и направления вектора магнитной индукции B данного магнитного поля.

Таким образом, если параметры источника магнитного поля не известны, то зная силу F, величину заряда q и его скорость движения v, можно найти величину и направление вектора магнитной индукции B в данной точке поля.

Так, даже если магнитное поле постоянное и однородное, то направление действия силы с его стороны будет зависеть от скорости и направления движения заряда относительно магнитного поля. Индукция магнитного поля в системе СИ измеряется в Тл (Тесла).

Напряженность магнитного поля H

Известно, что магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами, то есть токами. Индукция магнитного поля связана с токами. Если процесс происходит в вакууме, то связь эта для выбранной точки пространства может быть выражена через магнитную проницаемость вакуума.

Для лучшего понимания связи магнитной индукции B и напряженности магнитного поля H рассмотрим такой пример: магнитная индукция в центре катушки с током I без сердечника будет отличаться от магнитной индукции в центре той же самой катушки с тем же самым током I, только с введенным в нее ферромагнитным сердечником.

Количественная разница в магнитных индукциях с сердечником и без него (при одной и той же напряженности магнитного поля H) окажется равна разнице в магнитных проницаемостях материала введенного сердечника и вакуума. Напряженность магнитного поля в системе СИ измеряется в А/м.

Суммарное действие электрического и магнитного полей (сила Лоренца) Если в данной области пространства существует электрическое и магнитное поля одновременно, то при помещения сюда движущегося заряда, силу, действующую на него в той или иной точке данного пространства, можно определить как сумму сил со стороны электрического и магнитного полей. Эта суммарная сила называется силой Лоренца.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Напряженность электрического поля

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Что такое электрическое поле

Однажды Бенджамин Франклин, чей портрет можно увидеть на стодолларовой купюре, запускал воздушного змея во время дождя с грозой. Столь странное занятие он выбрал не просто так, а с целью исследования природы молнии. Заметив, что на промокшем шнуре волоски поднялись вверх (т. е. он наэлектризовался), Франклин хотел прикоснуться к металлическому ключу. Но стоило ему приблизить палец, раздался характерный треск и появились искры. Сработало электрическое поле.

Это случилось в середине XVIII века, но еще целое столетие ученые не могли толком объяснить, как именно заряженные тела взаимодействуют друг с другом, не соприкасаясь. Майкл Фарадей первым выяснил, что между ними есть некое промежуточное звено. Его выводы подтвердил Джеймс Максвелл, который установил, что для воздействия одного такого объекта на другой нужно время, а значит, они взаимодействуют через «посредника».

В современной физике электрическое поле — это некая материя, которая возникает между заряженными телами и обусловливает их взаимодействие. Если речь идет о неподвижных объектах, поле называют электростатическим.

Объекты, несущие одноименные заряды, будут отталкиваться, а тела с разноименными зарядами — притягиваться.

Определение напряженности электрического поля

Для исследования электрического поля используются точечные заряды. Давайте выясним, что это такое.

Точечным зарядом называют такой наэлектризованный объект, размерами которого можно пренебречь, поскольку он слишком мал в сравнении с расстоянием, отделяющим этот объект от других заряженных тел.

Теперь поговорим непосредственно о напряженности, которая является одной из главных характеристик электрического поля. Это векторная физическая величина. В отличие от скалярных она имеет не только значение, но и направление.

Для того, чтобы исследовать электрическую напряженность, нужно в поле заряженного тела q₁ поместить еще один точечный заряд q₂ (допустим, они оба будут положительными). Со стороны q₁ на q₂ будет действовать некая сила. Очевидно, что для расчетов нужно иметь в виду как значение данной силы, так и ее направление, то есть вектор.

Напряженность электрического поля — это показатель, равный отношению силы, действующей на заряд в электрическом поле, к величине этого заряда.

Напряженность является силовой характеристикой поля. Она говорит о том, как сильно влияние поля в данной точке не только на другой заряд, но также на живые и неживые объекты.

Единицы измерения и формулы

Из указанного выше определения понятно, как найти напряженность электрического поля в некой точке:

E = F / q, где F — действующая на заряд сила, а q — величина заряда, расположенного в данной точке.

Если нужно выразить силу через напряженность, мы получим следующую формулу:

F = q × E

Направление напряженности электрического поля всегда совпадает с направлением действующей силы. Если взять отрицательный точечный заряд, формулы будут работать аналогично.

Поскольку сила измеряется в ньютонах, а величина заряда — в кулонах, единицей измерения напряженности электрического поля является Н/Кл (ньютон на кулон).

Принцип суперпозиции

Допустим, у нас есть несколько зарядов, которые перекрестно взаимодействуют и образуют общее поле. Чему равна напряженность электрического поля, создаваемого этими зарядами?

Было установлено, что общая сила воздействия на конкретный заряд, расположенный в поле, является суммой сил, действующих на данный заряд со стороны каждого тела. Из этого следует, что и напряженность поля в любой взятой точке можно вычислить, просуммировав напряжения, создаваемые каждым зарядом в отдельности в той же точке (с учетом вектора). Это и есть принцип суперпозиции.

Это правило корректно для любых полей, за некоторыми исключениями. Принцип суперпозиции не соблюдается в следующих случаях:

речь идет о сверхсильных полях с напряженностью более 10 20 в/м.

Но задачи с такими данными выходят за пределы школьного курса физики.

Напряженность поля точечного заряда

У электрического поля, создаваемого точечным зарядом, есть одна особенность — ввиду малой величины самого заряда оно очень слабо влияет на другие наэлектризованные тела. Именно поэтому такие «точки» используют для исследований.

Но прежде чем рассказать, от чего зависит напряженность электрического поля точечного заряда, рассмотрим подробнее, как взаимодействуют эти заряды.

Закон Кулона

Предположим, в вакууме есть два точечных заряженных тела, которые статично расположены на некотором расстоянии друг от друга. В зависимости от одноименности или разноименности они могут притягиваться либо отталкиваться. В любом случае на эти объекты воздействуют силы, направленные по соединяющей их прямой.

Закон Кулона

Модули сил, действующих на точечные заряды в вакууме, пропорциональны произведению данных зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними.

Силу электрического поля в конкретной точке можно найти по формуле: где q₁ и q₂ — модули точечных зарядов, r — расстояние между ними.

В формуле участвует коэффициент пропорциональности k, который был определен опытным путем и представляет собой постоянную величину. Он обозначает, с какой силой взаимодействуют два тела с зарядом 1 Кл, расположенные на расстоянии 1 м.

Учитывая все вышесказанное, напряжение электрического поля точечного заряда в некой точке, удаленной от заряда на расстояние r, можно вычислить по формуле:

Итак, мы выяснили, что называется напряженностью электрического поля и от чего зависит эта величина. Теперь посмотрим, как она изображается графическим способом.

Онлайн-подготовка к ОГЭ по физике поможет снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Линии напряженности

Электрическое поле нельзя увидеть невооруженным глазом, но можно изобразить с помощью линий напряженности. Графически это будут непрерывные прямые, которые связывают заряженные объекты. Условная точка начала такой прямой — на положительном заряде, а конечная точка — на отрицательном.

Линии напряженности — это прямые, которые совпадают с силовыми линиями в системе из положительного и отрицательного зарядов. Касательные к ним в каждой точке электрического поля имеют то же направление, что и напряженность этого поля.

При графическом изображении силовых линий можно передать не только направление, но и величину напряженности электрического поля (разумеется, условно). В местах, где модуль напряженности выше, принято делать более густой рисунок линий. Есть и случаи, когда густота линий не меняется — это бывает при изображении однородного поля.

Однородное электрическое поле создается разноименными зарядами с одинаковым модулем, расположенными на двух металлических пластинах. Линии напряженности между этими зарядами представляют собой параллельные прямые всюду, за исключением краев пластин и пространства за ними.

Источник

Напряжённость электрического поля

Напряжённость электри́ческого по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы действующей на неподвижный [1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда :

.

Из этого определения видно, почему напряженность электрического поля иногда называется силовой характеристикой электрического поля (действительно, всё отличие от вектора силы, действующей на заряженную частицу, только в постоянном [2] множителе).

Напряжённость электрического поля в СИ измеряется в вольтах на метр [В/м] или в ньютонах на кулон.

Содержание

Напряжённость электрического поля в классической электродинамике

Приведем краткий обзор основных контекстов классической электродинамики в отношении напряженности электрического поля.

Сила, с которой действует электромагнитное поле на заряженные частицы

Полная сила, с которой электромагнитное поле (включающее вообще говоря электрическую и магнитную составляющие) действует на заряженную частицу, выражается формулой силы Лоренца:

Как видим, эта формула полностью согласуется с определением напряженности электрического поля, данном в начале статьи, но является более общей, т.к. включает в себя также действие на заряженную частицу (если та движется) со стороны магнитного поля.

Остальные формулы, применяемые для расчета электромагнитных сил (такие, как, например, формула силы Ампера) можно считать следствиями [5] фундаментальной формулы силы Лоренца, частными случаями ее применения итп.

Однако для того, чтобы эта формула была применена (даже в самых простых случаях, таких, как расчет силы взаимодействия двух точечных зарядов), необходимо знать (уметь рассчитывать) и чему посвящены следующие параграфы.

Уравнения Максвелла

Достаточным вместе с формулой силы Лоренца теоретическим фундаментом классической электродинамики являются уравнения электромагнитного поля, называемые уравнениями Максвелла. Их стандартная традиционная форма представляет собой четыре уравнения, в три из которых входит вектор напряженности электрического поля:

Здесь — плотность заряда, — плотность тока, — универсальные константы (уравнения здесь записаны в единицах СИ).

«Материальные уравнения»

Такими дополнительными формулами или уравнениями (обычно не точными, а приближенными, зачастую всего лишь эмпирическими), которые не входят непосредственно в область электродинамики, но поневоле используются в ней ради решения конкретных практических задач, называемыми «материальными уравнениями», являются, в частности:

Связь с потенциалами

Связь напряженности электрического поля с потенциалами в общем случае такова:

где — скалярный и векторный потенциалы. Приведем здесь для полноты картины и соответствующее выражение для вектора магнитной индукции:

В частном случае стационарных (не меняющихся со временем) полей, первое уравнение упрощается до:

Это выражение для связи электростатического поля с электростатическим потенциалом.

Электростатика

Важным с практической и с теоретической точек зрения частным случаем в электродинамике является тот случай, когда заряженные тела неподвижны (например, если исследуется состояние равновесия) или скорость их движения достаточно мала чтобы можно было приближенно воспользоваться теми способами расчета, которые справедливы для неподвижных тел. Этим частным случаем занимается раздел электродинамики, называемый электростатикой.

Как мы уже заметили выше, напряженность электрического поля в этом случае выражается через скалярный потенциал как

Уравнения поля (уравнения Максвелла) при этом также сильно упрощаются (уравнения с магнитным полем можно исключить, а в уравнение с дивергенцией можно подставить ) и сводятся к уравнению Пуассона:

Учитывая линейность этих уравнений, а следовательно применимость к ним принципа суперпозиции, достаточно найти поле одного точечного единичного заряда, чтобы потом найти потенциал или напряженность поля, создаваемого любым распределением зарядов (суммируя решения для точечного заряда).

Теорема Гаусса

Очень полезной в электростатике оказывается теорема Гаусса, содержание которой сводится к интегральной форме единственного нетривиального для электростатики уравнения Максвелла:

Эта теорема дает крайне простой и удобный способ расчета напряженности электрического поля в случае, когда источники имеют достаточно высокую симметрию, а именно сферическую, цилиндрическую или зеркальную+трансляционную. В частности, таким способом легко находится поле точечного заряда, сферы, цилиндра, плоскости.

Напряжённость электрического поля точечного заряда

В единицах СИ

Для точечного заряда в электростатике верен закона Кулона

. .

Исторически закон Кулона был открыт первым, хотя с теоретической точки зрения уравнения Максвелла более фундаментальны. С этой точки зрения он является их следствием. Получить этот результат проще всего исходя из теоремы Гаусса, учитывая сферическую симметрию задачи: выбрать поверхность S в виде сферы с центром в точечном заряде, учесть, что направление будет очевидно радиальным, а модуль этого вектора одинаков везде на выбранной сфере (так что E можно вынести за знак интеграла), и тогда, учитывая формулу для площади сферы радиуса r: , имеем:

откуда сразу получаем ответ для E.

Ответ для получается тогда интегрированием E:

Для системы СГС

Формулы и их вывод аналогичны, отличие от СИ лишь в константах.

Напряженность электрического поля произвольного распределения зарядов

По принципу суперпозиции для напряженности поля совокупности дискретных источников имеем:

Для непрерывного распределения аналогично:

Системы единиц

В системе СГС напряжённость электрического поля измеряется в СГСЭ единицах, в системе СИ — в ньютонах на кулон или в вольтах на метр (русское В/м, международное V/m).

Источник

Для чего необходимо измерять электромагнитное поле

Электромагнитным полем называют силовое поле, которое равносильно электрическому полю и магнитному, находящимися под прямым углом по отношению друг к другу. Возмущение электромагнитного поля называется электромагнитным излучением.

Единицы измерения электромагнитного поля

Электромагнитное поле – комплексное явление. Так, электрическое поле характеризуется напряженностью, обозначаемой буквой Е и измеряемой в вольтах на метр (В/м). Характеристиками магнитного поля также является напряженность Н, измеряемая в амперах на метр (А/м), а также индукция В, измеряемая в теслах (Тл).

Типы электромагнитных полей

Электромагнитные поля невозможно увидеть или почувствовать, но они окружают нас практически повсеместно. Их образуют линии электропередач, домашние электроприборы, компьютеры, телевизоры, сотовые телефоны. Различают следующие типы электромагнитных полей:

Природные электромагнитные поля имеют большой диапазон частот и величин. Все живые существа на Земле адаптированы к подобному типу воздействия и его гипотетическое исчезновение привело бы к серьезным сбоям в жизнедеятельности.

Искусственные источники электромагнитных полей представлены следующими группами:

В первую группу входят ЛЭП, электростанции, трансформаторные подстанции, домашние электроприборы, электротранспорт. Самое большое излучение производит метро.

Ко второй группе относятся средства получения и передачи информации (радио, телевидение, навигационное оборудование, телефоны, Wi-Fi).

Электромагнитное загрязнение

Уровень электромагнитного загрязнения планеты уже достиг невиданных размеров, однако ученым еще не хватает точных знаний, как подобного рода поля влияют на живой организм. Без сомнения, они представляют опасность для человека и других живых существ, однако в среде ученых имеются разногласия по поводу их пределов и диапазонов. Степень негативного воздействия зависит от частоты излучения, интенсивности, продолжительности, индивидуальных особенностей организма. Есть все основания полагать, что оно может провоцировать онкологические заболевания, нарушения половой и детородной функции, разрушение хрусталика глаза, снижение числа красных кровяных телец, сбои в обмене веществ, а также создавать помехи для работы нервной системы. Однако точных данных, при каких условиях возможно развитие болезней, до сих пор нет. ВОЗ, например, пока не видит связи между использованием мобильных телефонов и онкологическими заболеваниями, но проводит исследования на эту тему и признает наличие пробелов в знаниях об электромагнитных полях.

В России действует СанПиН 2.6.1.802-99 «Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона», а также ряд других нормативных документов, регламентирующих уровень электромагнитного излучения на разных объектах. Для проведения измерений электромагнитных полей в офисах, жилых помещениях и на производственных объектах обращайтесь в аккредитованную лабораторию ООО «Веста».

Читайте также

В воздухе производственных помещений всегда присутствуют частицы пыли.

В конце XIX века российский химик Фальберг синтезировал сахарин. Во время первой мировой войны его начали использовать вместо дефицитного сахара. Сегодня сахарозаменители являются предметом острых споров диетологов и трендом правильного питания.

Под общим термином «мясо» понимается часть туши животных, в которой сосредоточены мышечная, жировая, костная и соединительная ткани.

Источник

• ← Как нарисовать что нибудь красивое и сложное
• Как понять что девушка небезразлична к тебе →

Напряжённость электрического поля
Размерность