Какими из нижеперечисленных свойств обладает электростатическое поле

Два подхода к описанию. 10-й класс

У русских профессоров старой школы существовала традиция делать вводные обзоры к своим предметам. Беглый взгляд на материал в целом, изложение всех основных идей в начале курса стимулирует у слушателей интерес к деталям – возникает желание «приблизить картинку». Универсальность подхода к описанию электростатического поля в терминах напряжённости и потенциала заслуживает того, чтобы сказать о нём не только при повторении, но и в самом начале изучения электростатики.

Электростатическое поле не имеет цвета и запаха, его нельзя увидеть или потрогать руками. Все знания о нём базируются на двух его свойствах. Первое: на электрический заряд, помещённый в электростатическое поле, действует сила, пропорциональная величине заряда. Второе: электрический заряд сам создаёт электростатическое поле, которое действует на другие заряды (своего поля заряд не ощущает). Оба свойства допускают количественное описание, причём двумя (почти) эквивалентными способами.


Вид доски в конце урока: описание электростатического поля с помощью вектора напряжённости (слева) и потенциала (справа) – формулы записываются по ход

Идея «силового описания» электростатического поля состоит в том, чтобы, взяв пробный заряд qпр, «ходить» с ним по всему пространству и измерять вектор силы F, действующей на qпр в каждой точке. Поскольку отношение F/qпр не зависит от величины пробного заряда (для другого пробного заряда отношение останется тем же), оно принимается в качестве векторной «силовой» характеристики поля – напряжённости E (формула 1). Если поле E всюду известно, на заряд Q, помещённый в точку, определяемую радиус-вектором r, действует сила, равная произведению заряда на вектор напряжённости (2). Таким образом, знание напряжённости поля позволяет предсказать, с какой силой поле подействует на заряд.

Ходить по всему пространству с пробным зарядом и динамометром необязательно, т.к. есть относительно простые способы вычисления напряжённости E. Электростатическое поле создаётся неподвижными зарядами. Точечный заряд q создаёт вокруг себя поле, напряжённость которого по модулю спадает обратно пропорционально квадрату расстояния до этого заряда (формула 3). Любое заряженное тело (или несколько тел) произвольной формы можно мысленно разбить на точечные заряды. Принцип суперпозиции (формула 4) позволяет в любой точке пространства вычислить поле E как векторную сумму полей, создаваемых этими точечными зарядами.

При «силовом описании» первое свойство электростатического поля позволяет дать определение напряжённости поля и формулу для вычисления силы, действующей на заряд в известном поле (мы различаем эти формулы). Второе свойство описывается формулами для поля, создаваемого точечным зарядом, и для принципа суперпозиции.

Свойство поля «действовать на заряд с силой» относится к точке, т.е. является локальным свойством. Напряжённость поля является в этом смысле величиной локальной. Несмотря на прозрачный физический смысл вектора E, для практических целей более удобной оказывается другая возможность описания электростатического поля.

Поскольку в каждой точке поля на заряд действует сила, при перемещении заряда эта сила совершает работу. Любое электростатическое поле устроено таким образом, что оно при перемещении заряда вдоль произвольной замкнутой кривой С на части пути «подталкивает» заряд, а на части «тормозит», и суммарная работа поля всегда оказывается равной нулю. Никакой деформацией кривой С невозможно добиться, чтобы электростатическое поле совершило ненулевую работу к моменту, когда заряд возвращается в исходную точку. В полях, обладающих таким свойством (они называются потенциальными), работа между двумя точками не зависит от пути следования (это легко доказать, рассматривая замкнутые пути, проходящие через любые точки 1 и 2, зафиксировав, например, прямой путь 1 2 и варьируя обратные 2 1).

Переформулируем свойство электростатического поля – «действует на заряд с силой» – в его «нелокальный эквивалент» – «при перемещении заряда поле совершает работу». Идея «потенциального» описания: указать работу AAB, которую поле совершает при перемещении пробного заряда qпр из любой точки A в какую-нибудь заранее выбранную точку В. Отношение AAB/qпр определяется только полем (не зависит от величины qпр) и принимается в качестве энергетической характеристики поля в точке A – потенциала A (формула 5).

Если потенциал везде определён, работа поля A12 при перемещении заряда Q между любыми двумя точками 1 и 2 определяется произведением заряда на разность потенциалов в этих точках (формула 6). (Смещение точки B, в которую мы вносим пробный заряд, изменяет потенциал во всех остальных точках на одну и ту же величину, поэтому для вычисления работы поля, зависящей от разности потенциалов, выбор точки B совершенно несуществен.) Знание потенциала в любой точке позволяет предсказать, какая работа будет совершена полем при произвольном перемещении заряда.

Популярность описания поля с помощью потенциала связана с тем, что информация о работе поля зачастую оказывается гораздо более полезной, чем информация о силе, действующей на заряд. Конечно, зная напряжённость поля, можно работу вычислить, но математическая проблема, которая при этом возникает (криволинейный интеграл от векторной функции), оказывается обычно сложнее использования формулы A12 = Q • (12).

Потенциал в любой точке можно рассчитать по заданному распределению создающих поле зарядов. Для этого, во-первых, необходимо знать формулу для потенциала на расстоянии r от точечного заряда (7). (Значение константы зависит от того, в какой точке потенциал принимается за нулевой. Физики точку нулевого потенциала обычно выбирают на бесконечности, и постоянная в этой формуле исчезает. Электротехники нулевой потенциал приписывают проводникам очень большой ёмкости и говорят, что «земля имеет нулевой потенциал».) Во-вторых, нужен принцип суперпозиции (формула 8), позволяющий вычислить потенциал, если поле создаётся системой зарядов. Здесь уже складываются числа, а не векторы.

Таким образом, на два свойства электрического поля (дающих рецепт его обнаружения и создания) приходится по четыре формулы – на каждый способ описания. Напряжённость и потенциал содержат почти одинаковое количество информации о поле. По заданному распределению потенциала в пространстве напряжённость поля находится однозначно. Обратное верно при условии, что указана точка, где потенциал принимается равным нулю.

Литература

Куринский В.А. Автодидактика. – М.: Автодидакт, 1994.

Шилейко А.В., Шилейко Т.И. В океане энергии. – М.: Знание, 1989.

Андрей Владимирович Кондратьев закончил физфак МГУ им. М.В.Ломоносова в 1997 г. по специальности «Физика». С 1995 г. – учитель физики в школе № 1189. Считает, что газета «Физика» очень важна, ведь своя профессиональная газета – это зачастую единственная поддержка, а иногда и соломинка для тех, кто работает в несчастной российской школе. Это именно то, что нужно, особенно начинающим.

Электростатическое поле также как и электрическое поле является особой формой материи, которая окружает тела, имеющие электрический заряд. Но в отличие от последнего, электростатическое поле создается только вокруг неподвижных заряженных тел, то есть, когда нет условий для создания электрического тока.

Свойства электростатического поля

Электростатическое поле характеризуется свойствами, которые отличают его от других видов полей, образующихся в электрических цепях.

Основное его отличие заключается в том, что его силовые линии никогда не пересекаются и не касаются друг друга. Если электростатическое поле создано положительным зарядом, то его силовые линии начинаются с заряда и заканчиваются где-то в бесконечности. Если мы имеем дело с отрицательным зарядом, то силовые линии его электростатического поля наоборот начинаются где-то в бесконечности, а заканчиваются на самом заряде. То есть они направлены от положительного заряда или к отрицательному.

Кстати чем больше заряд, тем более сильное поле он создает и тем большая густота его силовых линий. Правда силовые линии поля – это скорее графическое (воображаемое) его изображение, принятое в физике и электронике. На самом деле четких отчерченных линий ни одно из полей не создает.

Основная характеристика, по которой судят о электрических и физических свойствах электростатического поля – это его напряженность. Она показывает, с какой силой поле действует на электрические заряды.

Кстати, если поместить в электростатическое поле диэлектрик, можно наблюдать процесс его поляризации.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2

Согласно правилу Ленца возникающий в замкнутом контуре индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван.

В неподвижном проводнике сторонней силой является сила, действующая на заряды со стороны вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. В движущимся проводнике сторонней силой является магнитная сила Лоренца, действующая на движущиеся вместе с проводником частицы.

Важным частным случаем электромагнитной индукции является самоиндукция. При самоиндукции изменяющееся магнитное поле индуцирует ЭДС в том самом проводнике, по которому течет ток, создающий это поле. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в проводнике:

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность зависит от размеров и форму проводника, а также свойств среды, в которой находится проводник.

Выражается она в генри:

Энергия магнитного поля тока равна той работе, которую должен совершить источник, чтобы создать данный ток:

При анализе явления электромагнитной индукции Максвеллом был сделан вывод о порождении вихревого электромагнитного поля переменным магнитным полем. Затем Максвелл предположил, что аналогичным образом переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле.

Вы можете сами определить глубину и качество ваших знаний, определить какую итоговую оценку вы получите.

За выполнение заданий к учебному элементу:

За выполнение выходного теста вы должны набрать

Если вы набирали от 71 до 80% от общего количества баллов, вы знаете материал удовлетворительно (“3”),

хорошо (“4”)- от 81 до 91%

отлично (“5”)- от 91 до 100%.

1. Чему равна индуктивность контура, если при силе тока 2А в нем существует магнитный поток 4Вб.? 6 баллов

2. За 2 с. магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно уменьшился с 8 до 2 Вб. Чему было равно при этом значение ЭДС индукции в контуре? 6 баллов

3. Какое из перечисленных ниже свойств относиться только к индукционному электрическому полю, но не к электростатическому:

1-непрерывность в пространстве,

2-линии напряженности обязательно связаны с электрическими зарядами,

3-работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равна нулю,

4-поле обладает запасом энергии,

5-работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю. 8 баллов

4. Как изменяется энергия магнитного поля контура при увеличении силы тока в нем в 4 раза? 6баллов

5. На рисунке 5 представлена электрическая схема, составленная из источника тока, катушки и четырех ламп. В какой из ламп этой схемы после замыкания ключа К сила тока достигает максимального значения после всех остальных?

6. Постоянный магнит вдвигается в металлическое кольцо северным полюсом. Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него? Какое направление имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны двигаемого магнита?

1. При каком значении силы тока в контуре индуктивностью 2 Гн магнитный поток через контур равен 4 Вб? 6 баллов

2. За 3 с. магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 3 до 9 Вб. Чему при этом равно значение ЭДС индукции а контуре? 6 баллов

3. Каким из перечисленных ниже свойств обладают и электростатическое и индукционное электрические поля:

1- непрерывность в пространстве,

2- линии напряженности обязательно связаны с электрическим зарядами,

3- работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равно нулю,

4- поле обладает запасом энергии,

5- работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю. 8 баллов

4. Как изменилась сила тока в контуре, если энергия магнитного поля уменьшилась в 4 раза? 6 баллов

5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источника тока, катюши и двух ламп. В каком направлении будет протекать электрический ток через лампы 1 и 2 через малый интервал времени после размыкания ключа К?

6. Постоянный магнит выдвигается из металлического кольца южным полюсом.

Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него?

Какое направление имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны выдвигаемого магнита?

1. чему равен магнитный поток через контур индуктивностью 4 Гн силе тока в нем 2А? 6 баллов

2. За 0,5 с. магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 1 до 3 Вб. Чему при этом равно значение ЭДС индукции в контуре? 6 баллов

3. Какое из перечисленных ниже свойств относится только к электростатическому полю, но не к индукционному электрическому полю:

1- непрерывность в пространстве,

2- линии напряженности не связанны с электрическими зарядами,

3- работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути равно нулю,

4- поле обладает запасом энергии,

5- работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не равна нулю. 8 баллов

4. Как нужно изменить индуктивность контура, для того чтобы при неизмененном значении силы тока в нем энергия магнитного поля уменьшилась в 4 раза?

5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источника тока, катюши и четырех ламп. Какой из ламп этой схемы после замыкания ключа К сила достигает максимального значения после всех остальных?

6. Постоянный магнит вдвигается в металлическое кольцо южным полюсом. Притягивается кольцо или отталкивается от магнита? Какое направление имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны вдвигаемого магнита?

1.Чему равна индуктивность контура, если при силе тока 4А в нем существует магнитный поток 2 Вб?

2. За 0,2 с. магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно уменьшился с 3 до 1 Вб. Чему при этом равно значение ЭДС индукции в контуре?

3. Если известно, что работа сил электрического поля при перемещении в нем электрического заряда по любой траектории равна нулю, то какое это поле, индукционное или электростатическое?

4. Через катушку индуктивностью 3 Гн протекает постоянный электрический ток. Сила тока в этой цепи равна 4А. чему равна энергия магнитного поля катушки?

5. На рисунке 1 представлена электрическая схема, составленная из источников тока, катушки двух ламп. В каком направлении будет протекать электрический ток через лампы 1 и 2 через малый интервал времени размыкания ключа К?

6. Постоянный магнит выдвигается из металлического кольца северным полюсом. Притягивается кольцо к магниту или отталкивается от него? Какое направление имеет индукционный ток в кольце, если смотреть со стороны выдвигаемого магнита?

Оцените статью
Добавить комментарий