Электротехника: Основы


Электрическое поле

Действие на расстоянии (дальнодействие)

Концепция взаимодействия электрических зарядов рассматривается в Законе Кулона, где объясняется как именно взаимодействуют заряды. Одного знака заряды отталкиваются, а разных знаков — притягиваются. Закон Кулона справедлив для двух точечных зарядов, когда не существует вблизи других зарядов или же их величина ничтожно мала, то есть существуют как бы только два действующих точечных заряда. Если же заряды находятся в движении, не являются точечными, или эти заряды действуют в электрическом поле других зарядов, тогда невозможно применить формулу Закона Кулона.

Электрическая сила взаимодействия зарядов описывается как бесконтактное действие, а иначе говоря имеет место дальнодействие, то есть действие на расстоянии. Для того, чтобы описать такое дальнодействие удобно ввести понятие электрического поля и с его помощью объяснить действие на расстоянии.

Концепция электрического поля выражается математическим языком в математических выражениях и терминах.

Электрические силы являются бесконтактными

Понятие силы — это концепция (представление) силы в физике, как она определяется в трех Законах Ньютона. Существуют две категории сил: контактные силы и бесконтактные. Гравитационная и электрическая силы относятся к бесконтактным и о них говорят как о дальнодействующих силах.

Гравитационные силы — это силы дальнодействующие, они действуют между двумя объектами, даже если они находятся на некотором расстоянии друг от друга. Автомобиль свободно скатывающийся с горки является примером сил дальнодействия, когда Земля притягивает другое физическое тело — автомобиль. Если запустить снаряд из артиллерийского орудия, то он будет двигаться по параболической траектории. Во время полета снаряда он никак не контактирует с Землей и даже с ее поверхностью, что говорит об отсутствии между ними контакта. Земля и летящий снаряд бесконтактное действие сил гравитации. Аналогично такому дальнодействию взаимодействуют и электрические заряды. Такое взаимодействие удобно описывать используя математическое представление поля (электрического, гравитационного).

Концепция электрического поля

Представьте реальное поле площадью, например, в один гектар. Пусть это будет засеяно пшеницей. Допустим, вы захотели исследовать в каком месте пространства этого поля находится каждое зернышко пшеницы и какую оно имеет массу. Для этого вам надо будет взять лист бумаги и в масштабе изобразить площадь этого поля, предварительно нанести координатные оси X и Y. Таким образом у вас получится координатная сетка наподобие таблицы, где каждая ячейка имеет свой адрес в виде значения X и Y. Предположим, что вам удалось отыскать каждое зернышко в этом поле и взвесить его, а результат записать в соответствующую этому месту ячейку. В результате полного исследования реального пшеничного поля вы получите на листе бумаги его абстрактное математическое представление в виде значений массы каждого зернышка. Точно также вы можете в каждом месте реального поля исследовать температуру, влажность и другие физические параметры, а результаты также внести в лист-таблицу. Это и есть математическое абстрактное представление поля.

Существуют различные физические величины и характеристики, которые можно разделить на два типа. Это скалярные, то есть не имеющие направления величины, такие как температура, влажность, масса, плотность и т.п., и векторные физические величины, которые в отличии от скалярных характеризуются не только размером (числом), но и направлением. Такая физическая величина как — сила, является векторной величиной, то есть она имеет не только размер (так же как и скалярные), но и направление. Как же учитывать направление? В чем его измерять? Температура, влажность и давление имеют шкалу в виде линии (одна координатная ось). Это способ измерения скалярных величин. Для векторных величин на плоскости необходимо две координатные оси, а в пространстве требуется три координатные оси. Для определения и измерения направления векторных величин используют значение угла поворота вектора относительно начала координат. Для записи вектора удобнее всего использовать полярные координаты, но вполне можно обойтись и привычными декартовыми координатами.

В приведенном выше примере с пшеничным полем, когда проводилось измерение массы зернышек была создана математическая запись скалярной величины — массы. Такую запись можно назвать скалярным математическим полем. Для того, чтобы описать подобным образом электрические силы, действующие в пространстве на дальнем расстоянии, то есть бесконтактно, нужно использовать векторную математическую запись. Эта векторная запись как раз и будет представлять собой то, что называется электрическим полем. Векторное поля отличается от скалярного большей сложностью и более глубоким пониманием, так как необходимо учитывать направления действия физических сил в добавление к их величине (скаляр).

Важно помнить, что запись на листке бумаги, представление поля в виде силовых линий есть всего лишь запись, и в реальности никаких таких силовых линий в пространстве не существует. За каждой записью, изображением поля, находится оригинал, то есть реальное действие сил в пространстве, либо в потенциале, либо в фактическом действии. Можно сказать, что запись электрического поля в виде чисел и линий, цветов и т.п. - это всего лишь фотография исследуемого пространства, где источниками действующих сил являются электрические заряды. Такую «фотографию» никак нельзя назвать особым видом материи, но можно утверждать, что всё пространство наполнено полями источниками которых являются дальнодействующие силы. Источник силы первичен, а математическая запись векторного или скалярного поля вторична. Источник силы реален, а запись всего лишь «фотография», изображение оригинала.

Изображение электрического поля

Для того, чтобы записать, представить в виде информации действие сил электрических зарядов используют математическое векторное поле, которое в пространстве изображается в виде силовых линий двух типов. Один вид линий является эквипотенциальными, то есть образованные равными значениями потенциала (напряженности), а другой вид линий называется силовыми. Эти силовые линии пересекают эквипотенциальные и являются шкалами значения сил в точках пространства. Для построения картины электрического поля используется вычисление значения напряженности электрического поля. Значение напряженности является базовым, для того, чтобы описать взаимодействие зарядов через представление электрического поля.

Силовые линии электрического поля

Пунктирные линии - эквипотенциальные. Линии со стрелками - силовые

Дата: 30.04.2015

© Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)


Тег статьи: Электричество

Все теги раздела Электротехника:
Электричество Закон Ома Электрический ток Электробезопасность Устройства Биоэлектричество Характеристики Физические величины Электролиз Электрические схемы Асинхронные двигатели