3. Воздействие переменным электрическим полем

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также в свободном виде при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах). Электрическое поле непосредственно невидимо, но может наблюдаться благодаря его силовому воздействию на заряженные тела.

Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряжённость электрического поля. Напряжённостью электрического поля называют векторную физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещённый в данную точку пространства, к величине этого заряда. Направление вектора совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.

В классической физике, применимой при рассмотрении крупномасштабных (больше размера атома) взаимодействий, электрическое поле рассматривается как одна из составляющих единого электромагнитного поля и проявление электромагнитного взаимодействия. В квантовой электродинамике — это компонент электрослабого взаимодействия.

В классической физике система уравнений Максвелла описывает взаимодействие электрического поля, магнитного поля и воздействие зарядов на эту систему полей.

Сила Лоренца описывает воздействие электромагнитного поля на частицу.

Эффект поля заключается в том, что при воздействии электрического поля на поверхность электропроводящей среды в её приповерхностном слое изменяется концентрация свободных носителей заряда. Этот эффект лежит в основе работы полевых транзисторов.

Основным действием электрического поля является силовое воздействие на неподвижные (относительно наблюдателя) электрически заряженные тела или частицы. Если заряженное тело фиксировано в пространстве, то оно под действием силы не ускоряется. На движущиеся заряды силовое воздействие оказывает и магнитное поле (вторая составляющая силы Лоренца).

Электрическое поле и его характеристики

Во всяком теле сод-ся большое кол-во элемент. частиц вещ-ва,обладающими э. зарядами (протоны+,электроны-)Э. заряды неразрывно связаны с окруж. их электромагнитным полем, которое представляет собой особый вид материи.Э/м поле состоит из двух взаимосвязанных сторон - э.поле и м.поле.Взаимодействие заряж.те5л происходит посредством э.поля.Э.поле способно оказывать силовое воздействие=> способно совершать работу => оно обладает эн-ей - электр.эн-ия.Каждая точка э.поля характеризуется напряженностью э.поля эдс=F/Q, где F сила с которой поле действует на точечный заряд Q. Точечный заряд- это заряженное тело размеры и заряд которого очень малы и не искажает рассматриваемое поле.При Q=1 Кл, F=эдс => напряженность поля численно равна силе поля, действующий на единичный заряд. Напряженность - векторная величина, направление которой совпадает с направлением силы поля. Графически напряженность изобр-ся линиями напряженности э.поля, которые начинаются на + и оканчиваются на -.Поле наз-ся однородным если во всех его точках векторы напряженности равны.Допустим что пробный заряд Q переместился в однородном э.поле из точки М в точку Н на расстояние l в направление поля.Работа совершеная при этом будет равна A=Fl.Величина равная отношению работы по перемещению заряда Q м/у двумя точками к заряду наз-ся напряжением. U=A /Q/ Напряжение данной точки М и другой произвольно выбранной точки, потенциал которой равен 0, наз-ся потенциалом фи данной точки. Потенциалом наз-ся работа совершенная силами э.поля при перемещение заряда из данной точки в точку потенциал которой равен нулю.Напряжение м/у двумя точками численно равна разности потенциалов.Пов-ть все точки которой имеют равные потенциалы наз-ся эквивалентной или равнопотенциальной.

Проводники и диэлектрики

Атомы вещ-ва состоят из ядра и электронов, атомы нейтральны , но если от атома отделяется электрон, то атом преврапщется в полож. ион. Отделившийся электрон присоединяется к другому атому, образуя отриц. ион, или же остается свободным. Такие электроны наз-ся электронами проводимостью, а процесс образования ионов - ионизацией.Кол-во свободных электронов или ионов в единице объема вещ-ва наз-ся концентрацией носителей электр. зарядов.Направленное дв-ие носителей электр. зарядов наз-ся электр.током.Св-во вещ-ва создавать электр. ток под действием э.поля наз-ся электропроводностью вещ-ва.Степень электропроводности оценивается удел. электр. проводимостью вещ-ва( чем > концентр. носителей зарядов, тем выше проводимость вещ-ва)Ввсе вещ-ва дел-ся на 3 вида : проводники диэлектрики и полупроводники.Проводники обладают высокой проводимостью вещ-ваметаллы,сплавы,электролиты),диэлектрики наоборот имеют ничтожную проводимость(газы,мин.масла,лаки и большинство твердых не метталлических вещ-в).Каждый электрон в атоме может обладать только определенными значениями эн-ии, т.е. находиться в разрешенных состояний или уровнях, изменение эн-ии электрона может происходить лишь определенными порциями квантами.Переход электрона на более высокий уровень сопровождается затратой эн-ии на преодоление притяжение ядра, а переход на болле низкий ур-нь излучением эн-ии.В твердых вещ-вах образованных совокупностью атомов,вследствие взаимного влияния друг на друга атом энерг. уровни неск-ко изменяются, образуя энергет. зоны.Энерг. зоны соотвает. энерг. ур-ям дел-ся на заполненую и свободную.Для возникнове ния электропроводности необходимо чтобы часть электронов из заполненой зоны переместились в свободную.Возможность такого перехода определяется шириной запрященной зоны и эн-ей необходимой затратить на такой переход. Под электр.напряжением приложенным к концам металл. проводника возникает э.поля, которое упорядочивает хаотическое дв-ии электронов и они дрейфуют в направлении противоположном направлению поля(т.к. имеют отриц.заряд)Проводники в которых электр.ток создается электронами(это металлы и их сплавы) наз-ся проводниками 1-го рода или с электронной проводимостью.Проводники в которых электр.ток создается ионами(электролиты) наз-ся проводниками 2-го рода или с ионной проводимостью.

Понятие об электрическом поле. Силовая и энергетическая характеристики электрического поля

Электрическое поле – это вид материи, образующийся вокруг заряженных тел, посредством которого они взаимодействуют друг с другом.

Сила взаимодействия двух точечных зарядов определяется законом Кулона: F = k·q1·q2/r2. При этом если заряженные тела имеют одинаковые заряды, то они отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются. Заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством их электрических полей.

Выделяют следующие характеристики электрического поля:

1. силовая характеристика – напряжённость электрического поля – это сила, которая действует на единицу заряда, помещённого в данное электрическое поле: E = F/q . Измеряется в [В/м]

Если определённый точечный заряд Q образует электрическое поле, то напряжённость этого поля в точке, находящейся на расстоянии r от заряда вычисляется по формуле: E = Q/(4πε0εr2) где Q– заряд, образующий данное электрическое поле; ε0 = 8,84*10-12 Ф/м- электрическая постоянная; ε- электрическая проницаемость среды, в которой образуется поле; r -расстояние от точечного заряда до точки, в которой исследуется напряжённость.

За направление напряжённости принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Величина напряжённости электрического поля графически изображается в виде силовых линий – тех линий, направление касательных к которым в любой точке совпадают с направлением напряжённости электрического поля. Чем больше линий – тем больше напряжённость.

энергетическая характеристика электрического поля – потенциал.

В каждой точке электрического поля на внесённый в это поле заряд действует определённая сила. При перемещении заряда в электрическом поле будет совершаться работа. При этом каждая точка электрического поля будет характеризоваться потенциалом.

Потенциал поля в данной точке – это потенциальная энергия электрического поля в этой точке, приходящаяся на единицу помещённого в эту точку заряда: φ = Wp/q [В] Потенциал поля характеризует возможную работу, которую совершает электрическое поле или которая совершается над электрическим полем при перемещении этого заряда в точку с другим потенциалом: Δφ = A/q.

Поскольку работа будет совершаться только при перемещении заряда между точками, обладающими неодинаковыми потенциалами, то физический смысл имеет лишь разность потенциалов, или напряжение между двумя точками электрического поля. Поэтому, когда употребляют термин ″потенциал″, имеют в виду разность потенциалов между данной точкой, потенциал которой измеряют, и бесконечно удалённой точкой пространства, потенциал которой можно считать равным 0. При этом потенциал в данной точке поля, созданного точечным зарядом Q, равен: φ = Q/(4πε0εγ) и , если потенциал создается большим числом зарядов, то φ = ∑φ.

Только разность потенциалов можно измерить с помощью вольтметра. Считают, что напряженность электрического поля – отрицательный градиент потенциала.

Действие электрического поля на вещества

Действие электрического поля на различные вещества неодинаково и зависит от их внутреннего строения. По этому действию все вещества делят на:

- проводники электрического тока

- полупроводники

- изоляторы, или диэлектрики.

Проводники характеризуются тем, что в них под действием электрического поля образуется электрический ток – направленное движение заряженных частиц. Это происходит благодаря тому, что в проводниках имеются свободные заряды. Существуют проводники 1 рода (металлы, в которых есть свободные электроны) и 2 рода (растворы электролитов, в которых свободными зарядами являются положительно заряженные ионы – катионы и отрицательно заряженные ионы – анионы).

Полупроводники при обычной температуре имеют мало свободных зарядов. Причём когда электроны в полупроводниках становятся свободными, то на их месте образуется дырка – избыток положительного заряда. Поэтому носителями заряда в полупроводниках являются электроны и дырки.

В диэлектриках нет свободных носителей зарядов, поэтому под действием электрического поля в них не возникает электрического тока, но возникает явление, называемое поляризацией диэлектрика – приобретение диэлектриком полярности за счёт разделения в нём положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля. Поляризация существует в 3 вариантах: ориентационная, электронная и ионная.

Указанные различия хорошо описываются зонной теорией твёрдых тел, или квантовой теорией энергетического спектра электронов в кристалле. Согласно теории в кристалле существуют запрещённые и разрешённые энергетические зоны для электронов. Нижние зоны заполнены полностью электронам. Физические свойства кристаллов определяются верхними зонами, содержащими электроны. Если между верхней зоной и следующей разрешённой зоной запрещённая зона узкая (энергетический интервал невелик), то вещество является проводником, а если запрещённая зона велика – то диэлектриком.