Электрическое поле

1. Электрическое поле

2. Электрический заряд

• Электрический заряд — это связанное с телом
свойство, позволяющее ему быть источником
электрического поля и участвовать в
электромагнитных взаимодействиях.
• Заряд является количественной
характеристикой. Единица измерения заряда в
СИ — кулон. Заряд в один кулон очень велик.
Если бы два носителя заряда (q1 = q2 = 1Кл)
расположили в вакууме на расстоянии 1 м, то
они взаимодействовали бы с силой 9×109 H (вес
тела массой в миллион тонн)

3.

• Носителями электрического заряда
являются электрически заряженные
элементарные частицы — электрон
(один отрицательный элементарный
электрический заряд) и протон (один
положительный элементарный заряд).
• Самая минимальная порция
электрического заряда – заряд
электрона или протона е, абсолютная
величина которого равна 1,67×10–19 Кл.

4.

• Тела, в которых количество электронов
и протонов одинаково, называются
незаряженными.
• Если равенство между числом
электронов и протонов нарушено, тело
называется заряженным и его
электрический заряд определяется
формулой:
q = e(np-ne), где
np - число протонов,
ne – число электронов

5.

Шарль Огюсте́н де Куло́н
(1736 - 1806)
Французский физик,
открывший в 1785 году
основной закон
электростатики

6. Закон Кулона

Сила взаимодействия двух точечных
неподвижных заряженных тел в
вакууме прямо пропорциональна
произведению модулей зарядов и
обратно пропорциональна квадрату
расстояния между ними.
Сила Кулона направлена вдоль прямой,
соединяющей заряды. Под её
действием заряды одного знака
отталкиваются, а разных знаков –
притягиваются.

7.

q1 q2
F k 2
r
где - F сила, с которой заряды действуют
друг на друга; q1,q2 - величины зарядов;
r - расстояние между зарядами;
k - коэффициент пропорциональности.
k ≈ 9·109 [Н·м2/Кл2]
k
1
4 0
, где ε0 - электрическая постоянная
ε0 ≈ 8.85·10−12 [Кл2/Н.м2]

8. Электрическое поле

• Электрическое поле - особый вид
материи, существующий вокруг тел или
частиц, обладающих электрическим
зарядом.
• Электрическое поле непосредственно
невидимо, и может наблюдаться только
благодаря его силовому воздействию на
заряженные тела.
• Для количественного определения
электрического поля вводится силовая
характеристика - напряженность
электрического поля.

9.

• Напряженностью электрического поля
(E) называют векторную величину, равную
отношению силы, с которой поле действует
на заряд, помещённый в данную точку
пространства, к величине этого заряда.
• Направление вектора Е совпадает в каждой
точке поля с направлением силы,
действующей на положительный заряд.
F
E
q

10.

Непрерывные линии, касательные к
которым в каждой точке совпадают с
вектором напряженности, называются
силовыми линиями электрического
поля или линиями напряженности.
напряженность
E
E
Силовая линия электрического поля

11.

1. Силовые линии электрического поля,
созданного неподвижными зарядами не
замкнуты: они начинаются на
положительных зарядах и заканчиваются
на отрицательных.
2. Электрическое поле, напряженность
которого одинакова во всех точках
пространства, называется однородным.
3. Густота линий больше вблизи заряженных
тел, где напряженность больше.
4. Силовые линии одного и того же поля не
пересекаются.

12.

13.

14.

15. Потенциал, разность потенциалов

• Электрический потенциал - скалярная
энергетическая характеристика
электростатического поля
• Потенциал ( ) точки электрического поля
численно равен работе, совершаемой
силами поля, по перемещению единичного
положительного заряда из данной точки в
бесконечно удаленную точку в пространства:
A
q
Дж / Кл = В [Вольт]

16.

• Разность потенциалов (напряжение)
электрического поля (U) численно
равен работе, совершаемой силами
поля, по перемещению единичного
положительного заряда из одной точки
в другую:
A
U 1 2
q

17.

Воображаемая поверхность, все точки
которой имеют одинаковый потенциал,
называется эквипотенциальной
поверхностью

18.

19.

• В однородном поле существует связь
между напряженностью и разностью
потенциалов:
1- 2=Ed
где d – расстояние вдоль силовой линии
между точками с потенциалами 1 и 2
d
E
1
2

20.

F
1
q1 q2
4 0
2
r
Закон Кулона
Напряженность и потенциал поля одиночного заряда
E
1
q
4 0 r
2
1
q
4 0 r

21.

• В однородном поле существует связь
между напряженностью и разностью
потенциалов:
1- 2=Ed
где d – расстояние вдоль силовой линии
между точками с потенциалами 1 и 2
d
E
1
2

22. Электрическое поле в веществе

Электриче
ское поле
в веществе

23. Проводники и диэлектрики, относительная диэлектрическая проницаемость

• Заряды, находящиеся внутри
вещества и способные перемещаться
по его объёму, называются
свободными.
• Вещества, в которых имеются
свободные заряды, называются
проводниками, а вещества, в которых
их нет – диэлектриками.

24. Проводники в электрическом поле

E=0
E0
EВН
E = Eвн + E0 = 0
Электростатическая индукция — явление наведения
собственного электростатического поля, при действии на
тело внешнего электрического поля.

25. Электрический диполь

Электрический диполь – система из двух
равных по абсолютной величине, но
противоположных по знаку точечных
электрических зарядов, находящихся на
фиксированном расстояние l, которое
называют плечом диполя.
l
+q
-q

26.

• Основной характеристикой диполя
является векторная величина,
называемая электрическим моментом
диполя – p. Вектор p равен
произведению заряда q на плечо
диполя l и направлен от «–» к «+» .
Размерность дипольного момента [Кл.м]
p q l
+q
-q

27. Типы поляризации диэлектриков:

• Электронная — смещение электронных оболочек
атомов под действием внешнего электрического
поля. Самая быстрая поляризация (до 10-15 с).
• Ионная — смещение узлов кристаллической
структуры под действием внешнего электрического
поля, причем смещение на величину, меньшую,
чем величина постоянной решетки. Время
протекания 10-13 с.
• Дипольная (Ориентационная) — протекает с
потерями на преодоление сил связи и внутреннего
трения. Связана с ориентацией диполей во
внешнем электрическом поле.

28. Диэлектрики в электрическом поле

0
0
E = E0 - Eвн
Eвн
Поляризация диэлектриков — явление, связанное с
поляризацией связанных зарядов в диэлектрике и
поворотом электрических диполей под воздействием
внешнего электрического поля.

29.

• Относительная диэлектрическая проницаемость
(диэлектрическая постоянная) среды ε - безразмерная
величина, связанная с эффектом поляризации
диэлектриков под действием электрического поля.
• Она показывает, во сколько раз напряженность поля
внутри диэлектрика-Е меньше напряженности поля, в
которое он помещен-Е0.
E
E
0
E
0
E0 EBH
• Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха и
большинства других газов в нормальных условиях близка к
единице (в силу их низкой плотности).
• Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков
относительная диэлектрическая проницаемость лежит в
диапазоне от 2 до 8. Диэлектрическая проницаемость воды
достаточно высока - около 80.

30.

Диэлектрическая проницаемость
биологических объектов
Вещество
ε
Вода
81
Кровь цельная
85
Серое вещество мозга
85
Нерв зрительный
89
Белое вещество мозга
90

31.

• Основной характеристикой диполя
является векторная величина,
называемая электрическим моментом
диполя – p. Вектор p произведению
заряда q на плечо диполя l. Плечо
диполя – вектор, равный его длине,
который направлен от «–» к «+» .
Размерность дипольного момента [Кл.м]
p q l
+q
-q

32. Силовые и эквипотенциальные линии электрического поля диполя

33. Потенциал поля диполя

r2 r1
q
q
A k k kq
r1
r2
r1r2
l cos
p cos
A kq
k
2
r
r2

34. Токовый диполь

Двухполюсная система в проводящей среде,
состоящая из истока и стока тока, называется
дипольным электрическим генератором, или
токовым диполем.

35.

• Основная характеристика токового диполя -
дипольный момент pT=I L, где I – сила
тока через генератор, L – расстояние между
электродами.

36.

Электрическое поле токового диполя
pT cos
2
4 r
r
pT
- удельная электропроводность
( = 1/ , где - удельное электрическое
сопротивление)

37. Физические основы электрографии

• Живые ткани являются
источником биопотенциалов.
• Регистрация биопотенциалов
органов и тканей называется
электрографией.

38.

• Электрокардиография (ЭКГ) – регистрация
биопотенциалов, возникающих в сердечной
мышце при ее возбуждении.
• Электроретинография (ЭРГ) – регистрация
биопотенциалов сетчатки глаза,
возникающих в результате воздействия на
глаз.
• Электроэнцефалография (ЭЭГ) –
регистрация биоэлектрической активности
мозга.
• Электромиография (ЭМГ) – регистрация
биоэлектрической активности мышц.

39. Характеристики биопотенциалов

40.

• Моделировать электрическую
активность сердца можно с
использованием дипольного
электрического генератора.
• Согласно теории Эйнтховена
сердце – токовый диполь с
дипольным моментом, который
поворачивается, изменяет свое
положение и точку приложения
за время сердечного цикла.

41. Волна электрической активности миокарда

• Ткань или орган, состоящие из
клеток, создают в каждый
момент электрическое поле,
потенциал которого является
геометрической суммой всех
мембранных потенциалов
отдельных клеток .
• В состоянии покоя наружная
поверхность клеточной
мембраны имеет
положительный заряд, а
внутренняя – отрицательный.
При возбуждении клетки
меняется знака мембранного
потенциала, в результате чего
внешняя поверхность клетки
становится отрицательно
заряженной.

42.

Виллем Эйнтховен
(1860-1927)

43. Допущения теории Эйнтховена:

1. Электрическое поле сердца на больших расстояниях
от него подобно полю токового диполя; дипольный
момент – суммарный электрический вектор
возбужденных в данный момент клеток.
2. Все ткани и органы, весь организм – однородная
проводящая среда (с одинаковым удельным
сопротивлением).
3. Электрический вектор сердца изменяется по величине
и направлению за время сердечного цикла, однако
начало вектора остается неподвижным.
4. Точки стандартных отведений образуют
равносторонний треугольник (треугольник
Эйнтховена), в центре которого находится сердце –
токовый диполь.
5. Сердце и конечности находятся в одной фронтальной
плоскости.

44.

3 p
В А U ВА k
cos АВ
2
r
3 p
С В U СВ k
cos ВС
2
r
3 p
A C U АC k
cos АС
2
r
AB BC AC
углы
между дипольным моментом
и сторонами ттреуголь ика

45. Схема стандартных отведений