Электрическое поле - удивительное и загадочное явление природы. С одной стороны, оно невидимо, с другой - оказывает ощутимое воздействие на окружающие предметы. Электрическое поле возникает благодаря наличию электрических зарядов. Достаточно потереть пластмассовую ручку о шерсть, и вокруг нее появится поле, которое будет притягивать мелкие кусочки бумаги. Откуда же берется это поле и где его можно встретить в повседневной жизни? Давайте разберемся.
Источники электрического поля: заряженные частицы и их взаимодействие
Электрическое поле создается заряженными частицами - электронами, протонами, ионами. Частицы могут иметь положительный или отрицательный заряд. Частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются, а с разными - притягиваются. Именно благодаря этому взаимодействию и возникает электрическое поле вокруг частиц и тел.
Электрическое поле создается точечным зарядом - например, электроном или протоном. Чем больше величина заряда, тем сильнее поле вокруг него. Положительно заряженная частица создаст радиально направленное поле, отталкивающее положительные заряды и притягивающее отрицательные. И наоборот, отрицательно заряженная частица будет притягивать положительные заряды.
Закон Кулона гласит, что электрическое поле стационарных зарядов в вакууме или однородной среде изменяется пропорционально заряду источника и обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.
То есть если заряд увеличивается в 2 раза - удваивается и сила поля. А если расстояние увеличивается в 2 раза - сила поля уменьшается в 4 раза.
Электрическое поле создается не только отдельными частицами, но и скоплениями заряженных частиц - телами. Например, если потереть пластиковую ручку о шерсть, ее поверхность приобретает избыточный отрицательный заряд. Вокруг ручки возникает электрическое поле, направленное от отрицательно заряженной поверхности вовне.
Основные характеристики электрического поля
Для описания свойств электрического поля используется ряд величин:
- Напряженность (\(E\)) - сила, действующая со стороны поля на положительный заряд
- Потенциал (\(φ\)) - количественная мера поля в данной точке
- Разность потенциалов (\(U\)) - разность потенциалов между двумя точками поля
Чем выше напряженность поля в данной точке - тем сильнее оно будет действовать на находящийся там заряд. Например, напряженность электрического поля Земли у поверхности составляет 100-300 В/м.
Потенциал и разность потенциалов используются для сравнения "силы" поля в разных точках. Например, между поверхностью Земли и ионосферой разность потенциалов достигает 400000 В.
Как "увидеть" невидимое: силовые линии электрического поля
Электрическое поле создается вокруг любого заряженного тела, но его невозможно увидеть невооруженным глазом. Чтобы представить себе форму и направление силовых линий, ученые используют специальные методы визуализации.
Например, если поместить заряженное тело в масло и подкрасить его мелким порошком, частички порошка выстроятся вдоль линий электрического поля, образуя наглядную картину. Силовые линии идут от положительного заряда к отрицательному и никогда не пересекаются.
Также для визуализации можно использовать электролитическую ванну, поместив в нее электроды. Под действием электрического поля ионизированные молекулы электролита будут осаждаться на электродах, образуя разветвленные древовидные структуры.
Знание конфигурации силовых линий помогает прогнозировать поведение заряженных частиц в электрическом поле. Это важно, например, при разработке электронно-лучевых приборов или ускорителей элементарных частиц.
Расчет и моделирование электрических полей
Для практических задач важно уметь не только качественно, но и количественно описывать электрические поля. С этой целью был разработан математический аппарат, позволяющий моделировать поля различной конфигурации.
Электрическое поле создается двумя точечными зарядами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга. Суммарное поле в любой точке пространства можно рассчитать по принципу суперпозиции - как векторную сумму полей от каждого заряда в отдельности. Этот простой подход позволяет моделировать довольно сложные системы.
Для описания нестационарных полей, меняющихся со временем, используются уравнения Максвелла. Они связывают между собой переменные электрического и магнитного полей. Решая эти уравнения численными методами, удается моделировать, например, распространение электромагнитных волн.
Электрическое поле Земли и его влияние на человека
Наша планета также является источником постоянного электрического поля. Земля имеет отрицательный заряд порядка 600 000 кулонов, а ионосфера - положительный. В результате между поверхностью планеты и ионосферой существует разность потенциалов около 400 000 вольт.
Это поле пронизывает всю атмосферу Земли и достигает у поверхности напряженности 100-300 В/м. Оно оказывает влияние на заряженные частицы в воздухе, заставляя положительные ионы двигаться к земле, а электроны - вверх.
На человека это поле тоже действует, но мы его почти не ощущаем. Это связано с тем, что тело имеет хорошую электропроводность и находится под тем же потенциалом, что и земля. Поэтому между ногами и головой нет ощутимого напряжения.
Применение электрических полей в промышленности
Управляя электрическим полем, человек научился использовать его в самых разных областях.
В электронной промышленности электрические поля применяются для ускорения заряженных частиц в вакуумных трубках. Это позволяет создавать пучки электронов и ионов для электронно-лучевой сварки, литографии, анализа состава вещества.
В электротехнике и энергетике электрические поля используются для передачи и распределения электроэнергии. Провода линий электропередач окружены полем, которое заставляет электроны двигаться по проводам, создавая электрический ток.
Электрические поля на службе медицины
Оказывается, электрические поля можно использовать не только в технике, но и для лечения людей. Этот метод называется электротерапией.
Под действием импульсных электрических полей ускоряется заживление переломов костей и срастание сухожилий после травм. Полягается также избавиться от болевых ощущений при артрите и артрозе.
Методы электростимуляции сердца и мозга с помощью электродов тоже основаны на использовании локальных электрических полей для воздействия на живые ткани.
Безопасное использование бытовой техники, создающей электрические поля
Многие привычные вещи в нашем доме - телевизор, микроволновка, фен - являются источниками электромагнитных полей. При неправильном использовании они могут негативно влиять на здоровье.
Чтобы избежать вредного воздействия, нужно соблюдать правила безопасности: не стоять очень близко к работающим приборам, делать перерывы при длительном использовании, следить за исправностью устройств.
Современные бытовые приборы проходят обязательную сертификацию на соответствие санитарным нормам. Поэтому при соблюдении мер предосторожности вероятность негативных последствий мала.
