O que é um campo elétrico?
Penduramos uma caixa de cartucho carregada em um fio e trazemos uma haste de vidro eletrificada para ela. Mesmo na ausência de contato direto, a luva na rosca desvia-se da posição vertical, sendo atraída pelo bastão (Fig. 13).
Corpos carregados, como vemos, são capazes de interagir uns com os outros à distância. Como a ação é transmitida de um desses corpos para outro? Talvez seja tudo sobre o ar entre eles? Vamos descobrir por experiência.
Vamos colocar um eletroscópio carregado (com os óculos removidos) sob a campânula da bomba de ar, após o que bombearemos ar por baixo dela. Veremos que no espaço sem ar as folhas do eletroscópio ainda se repelem (Fig. 14). Isso significa que o ar não participa da transmissão da interação elétrica. Então por meio do que toda a mesma interação dos corpos carregados se executa? A resposta a esta pergunta foi dada em seus trabalhos pelos cientistas ingleses M. Faraday (1791-1867) e J. Maxwell (1831-1879).
De acordo com os ensinamentos de Faraday e Maxwell, o espaço ao redor de um corpo carregado difere do espaço ao redor de corpos não eletrificados. Existe um campo elétrico em torno de corpos carregados. Com a ajuda deste campo, a interação elétrica é realizada.
Elétrico campoé um tipo especial de matéria que difere da matéria e existe em torno de quaisquer corpos carregados.
É impossível vê-lo ou tocá-lo. A existência de um campo elétrico só pode ser julgada por suas ações.
Propriedades básicas do campo elétrico
Experimentos simples permitem estabelecer Propriedades básicas do campo elétrico.
1. O campo elétrico de um corpo carregado atua com alguma força sobre qualquer outro corpo carregado que esteja neste campo..
Isso é evidenciado por todos os experimentos sobre a interação de corpos carregados. Assim, por exemplo, uma manga carregada, que estava no campo elétrico de um bastão eletrificado (veja a Fig. 13), foi submetida à ação de uma força atrativa sobre ela.
2. Perto de corpos carregados, o campo que eles criam é mais forte e muito mais fraco.
Para verificar isso, voltemos novamente ao experimento com uma caixa de cartucho carregada (veja a Fig. 13). Vamos começar a aproximar o suporte com o estojo do cartucho da varinha carregada. Veremos que à medida que a luva se aproxima do bastão, o ângulo de desvio da rosca em relação à vertical se tornará cada vez maior (Fig. 15). Um aumento neste ângulo indica que quanto mais próxima a manga estiver da fonte do campo elétrico (um bastão eletrificado), mais força esse campo atua sobre ela. Isso significa que perto de um corpo carregado, o campo criado por ele é mais forte do que longe.
Deve-se ter em mente que não apenas a vareta carregada com seu campo elétrico atua na manga carregada, mas a manga, por sua vez, atua na vareta com seu campo elétrico. Em tal ação mútua um sobre o outro e se manifesta interação elétrica corpos carregados.
O campo elétrico também se manifesta em experimentos com dielétricos. Quando um dielétrico é colocado em um campo elétrico, as partes carregadas positivamente de suas moléculas (núcleos atômicos) são deslocadas em uma direção sob a ação do campo, e as partes carregadas negativamente (elétrons) são deslocadas na outra direção. Esse fenômeno é chamado polarização dielétrica. É a polarização que explica os experimentos mais simples sobre a atração de pedaços de papel leves por um corpo eletrificado. Essas peças são geralmente neutras. No entanto, no campo elétrico de um corpo eletrificado (por exemplo, um bastão de vidro), eles são polarizados. Na superfície da peça que está mais próxima da vareta, aparece uma carga de sinal oposto ao da carga da vareta. A interação com ele leva à atração de pedaços de papel para o corpo eletrificado.
força elétrica
A força com que um campo elétrico atua sobre um corpo carregado (ou partícula) é chamada de força elétrica:
Vil- força elétrica.
Sob a ação desta força, uma partícula em um campo elétrico adquire uma aceleração uma, que pode ser determinado usando a segunda lei de Newton:
Onde mé a massa da partícula dada.
Desde a época de Faraday, para uma representação gráfica de um campo elétrico, é costume usar linhas de força.
Linhas de campo elétrico são linhas que indicam a direção da força que atua neste campo sobre uma partícula carregada positivamente colocada nele. As linhas de força do campo criado por um corpo carregado positivamente são mostradas na Figura 16, a. A Figura 16, b mostra as linhas de força do campo criado por um corpo carregado negativamente.
Uma imagem semelhante pode ser observada usando um dispositivo simples chamado sultão elétrico. Tendo informado da carga, veremos como todas as suas tiras de papel se dispersarão em diferentes direções e se localizarão ao longo das linhas de força do campo elétrico (Fig. 17).
Quando uma partícula carregada entra em um campo elétrico, sua velocidade nesse campo pode aumentar ou diminuir. Se a carga da partícula q>0, então, ao se mover ao longo das linhas de força, ela acelerará e, ao se mover na direção oposta, diminuirá a velocidade. Se a carga da partícula q<0, то все будет наоборот ее скорость будет уменьшаться при движении в направлении силовых линий и увеличиваться при движении в противоположном направлении.
É interessante saber
Do tópico de hoje sobre o campo elétrico, aprendemos que ele existe no espaço que está ao redor da carga elétrica.
Vamos ver como, com a ajuda de linhas de força com direção, esse campo elétrico pode ser representado por meio de gráficos:
Você provavelmente estará interessado em saber que campos elétricos de várias intensidades funcionam em nossa atmosfera. Se considerarmos o campo elétrico do ponto de vista do universo, geralmente a Terra tem uma carga negativa, mas a parte inferior das nuvens é positiva. E partículas carregadas como íons estão contidas no ar e seu conteúdo varia dependendo de vários fatores. Esses fatores dependem tanto da época do ano quanto das condições climáticas e da frequência da atmosfera.
E como a atmosfera é permeada por essas partículas, que, estando em movimento contínuo e caracterizadas por mudanças nos íons positivos ou negativos, tendem a afetar o bem-estar e a saúde de uma pessoa. E o mais interessante é que uma grande predominância de íons positivos na atmosfera pode causar desconforto em nosso organismo.
O efeito biológico do campo eletromagnético
E agora vamos falar sobre o efeito biológico dos CEM na saúde humana e seu impacto nos organismos vivos. Acontece que os organismos vivos que estão na zona de influência do campo eletromagnético estão sujeitos a fortes fatores de sua influência.
Uma longa permanência no campo do campo eletromagnético afeta negativamente a saúde e o bem-estar de uma pessoa. Assim, por exemplo, em uma pessoa com doenças alérgicas, essa exposição a EMF pode causar um ataque epiléptico. E se uma pessoa permanece em um campo eletromagnético por mais tempo, doenças podem se desenvolver não apenas nos sistemas cardiovascular e nervoso, mas também causar doenças oncológicas.
Os cientistas comprovaram que onde há uma forte ação do campo elétrico, mudanças comportamentais também podem ser observadas nos insetos. Esse impacto negativo pode se manifestar na forma de agressividade, ansiedade e diminuição do desempenho.
Sob tal influência, o desenvolvimento anormal também pode ser observado entre as plantas. Sob a influência de um campo eletromagnético nas plantas, o tamanho, a forma e o número de pétalas podem mudar.
Fatos interessantes relacionados à eletricidade
As descobertas no campo da eletricidade são uma das conquistas mais importantes do homem, porque a vida moderna sem essa descoberta agora é até difícil de imaginar.
Você sabe que em algumas partes da África e da América do Sul existem vilarejos onde ainda não há eletricidade? E você sabe como as pessoas saem dessa situação? Acontece que eles iluminam suas casas com a ajuda de insetos como vaga-lumes. Eles enchem potes de vidro com esses insetos e se iluminam com a ajuda de vaga-lumes.
Você conhece a capacidade das abelhas de acumular uma carga positiva de eletricidade durante o voo? Mas as flores têm uma carga elétrica negativa e, devido a isso, seu próprio pólen é atraído para o corpo da abelha. Mas o mais interessante é que o campo de tal contato entre uma abelha e uma flor altera o campo elétrico da planta e, por assim dizer, dá um sinal para outros indivíduos de abelhas sobre a ausência de pólen nesta planta.
Mas no mundo dos peixes, os caçadores elétricos mais famosos são as arraias. Para neutralizar sua presa, a arraia a paralisa com descargas elétricas.
Você sabia que as enguias elétricas têm a descarga elétrica mais forte. Estes peixes de água doce têm uma tensão de descarga que pode chegar a 800 V.
Trabalho de casa
1. O que é um campo elétrico?
2. Qual é a diferença entre um campo e uma substância?
3. Liste as principais propriedades do campo elétrico.
4. O que indicam as linhas do campo elétrico?
5. Como é a aceleração de uma partícula carregada se movendo em um campo elétrico?
6. Em que caso o campo elétrico aumenta a velocidade da partícula e em que caso a diminui?
7. Por que pedaços de papel neutros são atraídos por um corpo eletrificado?
8. Explique por que, depois que o sultão elétrico é carregado, suas tiras de papel divergem em direções diferentes.
Tarefa experimental.
Eletrifique o pente no cabelo e toque-o com um pequeno pedaço de algodão (fluff). O que acontecerá com o algodão? Sacuda a penugem do pente e, quando estiver no ar, faça-a subir à mesma altura, substituindo-a por um pente eletrificado por baixo a alguma distância. Por que o cotão para de cair? O que a manterá no ar?
S.V. Gromov, I. A. Pátria, Física, 9º ano
Um campo elétrico surge em torno de uma carga ou de um corpo carregado no espaço. Neste campo, qualquer carga é afetada pela força eletrostática de Coulomb. Um campo é uma forma de matéria que transmite interações de força entre corpos macroscópicos ou partículas que compõem uma substância. Em um campo eletrostático, ocorre a interação de forças de corpos carregados. Um campo eletrostático - um campo elétrico estacionário, é um caso especial de um campo elétrico criado por cargas estacionárias.
O campo elétrico é caracterizado em cada ponto do espaço por duas características: força - o vetor de intensidade elétrica e energia - potencial, que é uma grandeza escalar. A intensidade de um dado ponto do campo elétrico é uma grandeza física vetorial, numericamente igual e coincidente em direção com a força que atua do campo sobre uma carga unitária positiva colocada no ponto considerado do campo:
A linha de força do campo elétrico é a linha, as tangentes às quais em cada ponto determinam as direções dos vetores de intensidade dos pontos correspondentes do campo elétrico. O número 0 de linhas de força que passam por uma área unitária normal a essas linhas é numericamente igual à magnitude do vetor de força do campo elétrico no centro dessa área. As linhas de força do campo eletrostático começam com uma carga positiva e vão até o infinito para o campo criado por essa carga. Para um campo criado por uma carga negativa, as linhas de força vêm do infinito para a carga.
O potencial de um campo eletrostático em um determinado ponto é um valor escalar numericamente igual à energia potencial de uma única carga positiva colocada em um determinado ponto do campo:
O trabalho que é realizado pelas forças do campo eletrostático ao mover uma carga elétrica pontual é igual ao produto dessa carga pela diferença de potencial entre os pontos inicial e final do caminho:
onde e são os potenciais dos pontos inicial e final do campo quando a carga se move.
A intensidade está relacionada ao potencial do campo eletrostático pela relação:
O gradiente de potencial indica a direção da mudança mais rápida no potencial quando se move em uma direção perpendicular à superfície de igual potencial.
A intensidade do campo é numericamente igual à mudança no potencial por unidade de comprimento , contados na direção perpendicular à superfície de igual potencial e direcionados na direção de sua diminuição (sinal de menos):
O lugar geométrico dos pontos de campo elétrico cujos potenciais são iguais é chamado de superfície equipotencial ou superfície de igual potencial. O vetor de intensidade de cada ponto do campo elétrico é normal à superfície equipotencial traçada por este ponto. Na fig. 1 mostra graficamente o campo elétrico formado por uma carga pontual positiva e um plano carregado negativamente R.
Linhas sólidas são superfícies equipotenciais com potenciais , , etc., linhas pontilhadas são linhas de campo de força, sua direção é mostrada por uma seta.
O que nos permite afirmar que existe um campo elétrico em torno de um corpo carregado?
- A presença de tensões eletromagnéticas e campos de vórtices.
- a ação de um campo elétrico sobre uma carga.
experiência simples:
1. Você pega uma vara de madeira e amarra uma manga feita de uma embalagem de chocolate brilhante com um fio de seda.
2. esfregue o cabo no cabelo ou lã
3. traga a alça para a manga - a manga se desviará
isso nos permite afirmar que em torno de um corpo carregado (neste caso, uma caneta, existe um campo elétrico))) - alguem me ajuda a resolver o problema
http://answer.mail.ru/question/94520561 - está no livro didático)
- Link (electrono.ru Força do campo elétrico, elétrico. .)
- No espaço ao redor de um corpo eletricamente carregado existe um campo elétrico, que é um dos tipos de matéria. O campo elétrico tem uma reserva de energia elétrica, que se manifesta na forma de forças elétricas que atuam sobre corpos carregados no campo.
O campo elétrico é convencionalmente representado na forma de linhas de força elétrica, que mostram a direção de ação das forças elétricas criadas pelo campo elétrico.
As linhas de força elétrica divergem em direções diferentes de corpos carregados positivamente e convergem em corpos com carga negativa. O campo criado por duas placas planas paralelas de cargas opostas é chamado de uniforme.
Um campo elétrico pode ser tornado visível colocando nele partículas de gesso suspensas em óleo líquido: elas giram ao longo do campo, localizadas ao longo de suas linhas de força. Um campo homogêneo é um campo elétrico no qual a intensidade é a mesma em magnitude e direção em todos os pontos do espaço.Wikipedia: Para quantificar o campo elétrico, é introduzida uma característica de força - a intensidade do campo elétrico - uma quantidade física vetorial igual à razão da força com a qual o campo atua sobre uma carga de teste positiva colocada em um determinado ponto no espaço para a magnitude desta cobrança. A direção do vetor de tensão coincide em cada ponto no espaço com a direção da força que atua sobre a carga de teste positiva.
Aproximadamente uniforme é o campo entre duas placas de metal planas com cargas opostas. Em um campo elétrico uniforme, as linhas de tensão são paralelas entre si. - Carregue-se e despeje o cotão em si mesmo do travesseiro. Tudo ficará muito claro.
- Se você trouxer para o primeiro objeto eletricamente carregado outro, também el. objeto carregado, você pode ver sua interação, o que prova a existência de um campo elétrico.
- Permite que você leia as leis da física
- Um campo elétrico é uma forma especial de matéria que existe ao redor de corpos ou partículas que possuem carga elétrica, bem como de forma livre em ondas eletromagnéticas. O campo elétrico é diretamente invisível, mas pode ser observado por sua ação e com a ajuda de instrumentos. A principal ação do campo elétrico é a aceleração de corpos ou partículas que possuem carga elétrica.
O campo elétrico pode ser considerado como um modelo matemático que descreve o valor da intensidade do campo elétrico em um determinado ponto do espaço. Douglas Giancoli escreveu: “Deve-se enfatizar que o campo não é um tipo de matéria; mais corretamente, este é um conceito extremamente útil... A questão da "realidade" e da existência de um campo elétrico é na verdade uma questão filosófica, até mesmo metafísica. Na física, o conceito de campo provou ser extremamente útil - é uma das maiores conquistas da mente humana.
O campo elétrico é um dos componentes de um único campo eletromagnético e uma manifestação da interação eletromagnética.
Propriedades físicas do campo elétrico
Atualmente, a ciência ainda não alcançou uma compreensão da essência física de campos como elétrico, magnético e gravitacional, bem como sua interação entre si. Até agora, os resultados de sua ação mecânica sobre corpos carregados foram apenas descritos, e há também uma teoria de uma onda eletromagnética, descrita pelas Equações de Maxwell.Efeito de campo - O efeito de campo reside no fato de que quando um campo elétrico atua na superfície de um meio eletricamente condutor em sua camada superficial, a concentração de portadores de carga livre se altera. Este efeito está subjacente à operação dos transistores de efeito de campo.
A principal ação do campo elétrico é o efeito da força sobre corpos ou partículas eletricamente carregadas estacionárias (em relação ao observador). Se um corpo carregado está fixo no espaço, ele não acelera sob a ação de uma força. Um campo magnético (o segundo componente da força de Lorentz) também exerce uma força sobre cargas em movimento.
Observação do campo elétrico na vida cotidiana
Para criar um campo elétrico, é necessário criar uma carga elétrica. Esfregue algum tipo de dielétrico em lã ou algo semelhante, como uma caneta de plástico em seu próprio cabelo. Uma carga será criada na alça e um campo elétrico ao redor dela. Uma caneta carregada atrairá pequenos pedaços de papel para si mesma. Se você esfregar um objeto de maior largura, por exemplo, um elástico, na lã, no escuro poderá ver pequenas faíscas que surgem devido a descargas elétricas.Um campo elétrico geralmente ocorre perto da tela da televisão quando o aparelho de TV é ligado ou desligado. Este campo pode ser sentido por sua ação nos pelos dos braços ou do rosto.
Como você sabe, uma característica dos condutores é que eles sempre contêm um grande número de portadores de carga móveis, ou seja, elétrons ou íons livres.
Dentro do condutor, esses portadores de carga, em geral, se movem aleatoriamente. No entanto, se houver um campo elétrico no condutor, seu movimento ordenado na direção da ação das forças elétricas se sobrepõe ao movimento caótico dos portadores. Este movimento direcionado de portadores móveis de carga em um condutor sob a influência de um campo sempre ocorre de tal forma que o campo dentro do condutor é enfraquecido. Como o número de portadores móveis de carga no condutor é grande, o metal contém a ordem de elétrons livres), seu movimento sob a ação do campo ocorre até que o campo dentro do condutor desapareça completamente. Vamos descobrir com mais detalhes como isso acontece.
Coloque um condutor de metal, consistindo de duas partes firmemente pressionadas uma contra a outra, em um campo elétrico externo E (Fig. 15.13). Os elétrons livres neste condutor são afetados por forças de campo direcionadas para a esquerda, ou seja, opostas ao vetor de intensidade de campo. (Explique por quê.) Como resultado do deslocamento de elétrons por essas forças, um excesso de cargas positivas aparece na extremidade direita do condutor e um excesso de elétrons na extremidade esquerda. Portanto, surge um campo interno entre as extremidades do condutor (campo de cargas deslocadas), que na Fig. 15.13 é mostrado com linhas pontilhadas. Dentro
condutor, este campo é direcionado para o exterior, e cada elétron livre que permanece dentro do condutor atua com uma força direcionada para a direita.
A princípio, a força é maior que a força e sua resultante é direcionada para a esquerda. Portanto, os elétrons dentro do condutor continuam a se deslocar para a esquerda e o campo interno aumenta gradualmente. Quando elétrons livres suficientes se acumulam na extremidade esquerda do condutor (eles ainda constituem uma fração insignificante de seu número total), a força se torna igual à força e sua resultante será igual a zero. Depois disso, os elétrons livres restantes dentro do condutor se moverão apenas aleatoriamente. Isso significa que a intensidade do campo dentro do condutor é zero, ou seja, que o campo dentro do condutor desapareceu.
Assim, quando um condutor entra em um campo elétrico, ele é eletrificado de modo que uma carga positiva surge em uma de suas extremidades e uma carga negativa de mesma magnitude na outra. Tal eletrificação é chamada de indução eletrostática ou eletrificação por influência. Observe que, neste caso, apenas as próprias cargas do condutor são redistribuídas. Portanto, se tal condutor for removido do campo, suas cargas positivas e negativas serão novamente distribuídas uniformemente por todo o volume do condutor e todas as suas partes ficarão eletricamente neutras.
É fácil verificar que nas extremidades opostas de um condutor eletrizado por influência, existem de fato quantidades iguais de cargas de sinal oposto. Dividimos este condutor em duas partes (Fig. 15.13) e depois as removemos do campo. Ao conectar cada uma das partes do condutor a um eletroscópio separado, garantiremos que elas estejam carregadas. (Pense em como você pode mostrar que essas cargas são de sinais opostos.) Se você conectar as duas partes novamente de modo que elas formem um condutor, descobriremos que as cargas são neutralizadas. Isso significa que antes da conexão, as cargas em ambas as partes do condutor eram iguais em magnitude e opostas em sinal.
O tempo durante o qual o condutor é eletrificado por influência é tão curto que o equilíbrio de cargas no condutor ocorre quase instantaneamente. Nesse caso, a tensão e, portanto, a diferença de potencial dentro do condutor, em todos os lugares, se torna igual a zero. Então, para quaisquer dois pontos dentro do condutor, a relação
Portanto, quando as cargas do condutor estão em equilíbrio, o potencial de todos os seus pontos é o mesmo. Isso também se aplica a um condutor eletrificado pelo contato com um corpo carregado. Pegue uma bola condutora e coloque uma carga no ponto M de sua superfície (Fig. 15.14). Em seguida, um campo aparece no condutor por um curto período de tempo e no ponto M - um excesso de carga. Sob a influência das forças deste campo
a carga é distribuída uniformemente por toda a superfície da esfera, o que leva ao desaparecimento do campo dentro do condutor.
Portanto, não importa como o condutor seja eletrificado, quando as cargas estão em equilíbrio, não há campo dentro do condutor e o potencial de todos os pontos do condutor é o mesmo (dentro e na superfície do condutor). Ao mesmo tempo, o campo fora do condutor eletrizado, é claro, existe, e suas linhas de tensão são normais (perpendiculares) à superfície do condutor. Isso pode ser visto na discussão a seguir. Se a linha de tensão estivesse em algum lugar inclinada em relação à superfície do condutor (Fig. 15.15), então a força que atua sobre a carga neste ponto da superfície poderia ser decomposta em componentes. superfície, as cargas se moveriam ao longo da superfície do condutor, o que, se não houvesse equilíbrio de cargas. Portanto, quando as cargas do condutor estão em equilíbrio, sua superfície é uma superfície equipotencial.
Se não houver campo dentro de um condutor carregado, então a densidade de volume das cargas nele (a quantidade de eletricidade por unidade de volume) deve ser zero em todos os lugares.
De fato, se houvesse uma carga em qualquer pequeno volume do condutor, então existiria um campo elétrico em torno desse volume.
Na teoria de campo, está provado que em equilíbrio, todo o excesso de carga de um condutor eletrificado está localizado em sua superfície. Isso significa que todo o interior desse condutor pode ser removido e nada mudará na disposição das cargas em sua superfície. Por exemplo, se você eletrificar igualmente duas bolas de metal solitárias de igual tamanho, uma das quais é sólida e a outra é oca, então os campos ao redor das bolas serão os mesmos. M. Faraday primeiro provou isso experimentalmente.
Então, se um condutor oco é colocado em um campo elétrico ou eletrizado pelo contato com um corpo carregado, então
quando as cargas estão em equilíbrio, o campo dentro da cavidade não existirá. Esta é a base da proteção eletrostática. Se um dispositivo for colocado em uma caixa de metal, os campos elétricos externos não penetrarão no interior da caixa, ou seja, a operação e as leituras de tal dispositivo não dependerão da presença e mudança de campos elétricos externos.
Vamos agora descobrir como as cargas estão localizadas na superfície externa do condutor. Pegue uma malha de metal em duas alças isolantes, nas quais as folhas de papel são coladas (Fig. 15.16). Se você carregar a grade e depois esticá-la (Fig. 15.16, a), as folhas em ambos os lados da grade se dispersarão. Se a malha for dobrada em um anel, apenas as folhas do lado externo da malha se desviarão (Fig. 15.16, b). Dando à grade uma curvatura diferente, pode-se garantir que as cargas estejam localizadas apenas no lado convexo da superfície e, nos locais onde a superfície é mais curva (menor raio de curvatura), mais cargas se acumulam.
Assim, a carga é distribuída uniformemente apenas sobre a superfície de um condutor esférico. Com uma forma arbitrária do condutor, a densidade de carga da superfície e, portanto, a intensidade do campo próximo à superfície do condutor é maior onde a curvatura da superfície é maior. A densidade de carga é especialmente alta nas saliências e nas bordas do condutor (Fig. 15.17). Isso pode ser verificado tocando os vários pontos do condutor eletrificado com a ponta de prova e, em seguida, o eletroscópio. Um condutor eletrificado, tendo pontos ou provido de um ponto, perde rapidamente sua carga. Portanto, o condutor, no qual a carga deve ser armazenada por um longo tempo, não deve ter pontos.
(Pense em por que a haste de um eletroscópio termina em uma bola.)
