Единицы измерения энергии

Мы уже привыкли к тому, что энергия (работа) в системе СИ измеряется в джоулях (Дж). Однако, как уже говорилось, в электричестве, атомной и ядерной физике иногда удобнее оказывается использование Гауссовой системы единиц (СГС). В этой системе единицей энергии и работы являются электронвольт (эВ) и кратные ему единицы: килоэлектронвольт (кэВ), мегаэлектронвольт (МэВ), гигаэлектронвольт (ГэВ), тераэлектронвольт (ТэВ).

• 1 эВ = 1,6−10 ¹⁹ Дж,
• 1 кэВ = 10³ эВ,
• 1 МэВ = 10⁶ эВ,

• 1 ГэВ = 10^!) эВ,
• 1 ТэВ = 10¹²эВ.

Настоящие физики, дабы «не ломать себе язык», так и произносят: «Один мэв, два кэва, три мэва» и т. д.

Силовые линии электрического поля (линии напряженности). Кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности, и есть линии напряженности (силовые линии). Они всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Примеры расположения силовых линий изображены на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Силовые линии электрического ноля.

Потенциал является энергетической характеристикой поля.

Принцип суперпозиции электрических нолей можно сформулировать так: напряженность электростатического поля, создаваемого в данной точке системой зарядов, есть сумма напряженностей полей отдельных зарядов. Заметим, что здесь речь идет о векторной сумме (а не об алгебраической)

Пример решения задачи.

Рис. 6.2. Иллюстрация к задаче.

Дано: две заряженные нити А и В с поверхностными плотностями зарядов т" и т, соответственно расположены на расстоянии г друг от друга (рис. 6.2). Нити имеют одноименный заряд. Найти направление и величину напряженности электрического поля Е в точке С, отстоящей на расстояние а от каждой нити.

Решение. На рис. 6.2 показаны направления векторов напряженности электрического поля, созданного нитями А и В. Изображенные на рис. 6.2 векторы ?, и Е₂ соответствуют положительному заряду нитей. В случае же отрицательного заряда направления векторов напряженностей будут противоположными, но это никак не повлияет на результат. Результатом их сложения, согласно принципу суперпозиции, будет вектор Е. Нити А и В создают поля, которые можно определить выражениями.

Угол р треугольника ДАСВ можно определить, но теореме косинусов.

Искомый нами вектор Е можно определить, также используя теорему косинусов и принцип суперпозиции электрических полей, а именно.

где.

Окончательно получим.

Условие потенциальности электростатического поля. Электростатическое поле точечного заряда является центральным и потенциальным. Последнее означает, что работа сил по перемещению заряда в таком поле не зависит от формы траектории, а зависит только от начальной и конечной координаты. Следовательно, если начальная н конечная координаты совпадают, то.

То есть циркуляция вектора напряженности по замкнутому контуру L всегда равна нулю.

Соотношение между напряженностью и потенциалом электрического поля определяется соотношением.

где grad — математический оператор градиента физической величины. Физический и математический смысл градиента мы уже обсуждали ранее (выражение (1.15)) при объяснении явлений переноса.

Таким образом, напряженность электрического поля есть градиент потенциала с обратным знаком. Отметим, что это выражение — векторное, следовательно, позволяет определить не только модуль (значение) напряженности, но и ее направление в пространстве. Исходя из физического смысла понятия «градиент» делаем вывод, что напряженность электрического поля направлена в сторону убывания потенциала.

Значение напряженности электрического поля в одномерном случае можно определить как.

Последнее выражение есть лишь частный случай выражения (6.2).

Индукция электрического поля (электрическое смещение) — это векторная физическая величина, равная поверхностной плотности заряда ст = q/S, индуцированного на поверхности проводника 5, расположенной перпендикулярно силовым линиям ноля. Индукция поля D прямо пропорциональна его напряженности Е

и направлена в ту же сторону.

Физический смысл электрического смещения состоит в том, что I) показывает величину поля внутри диэлектрика. Выражение (6.3) также называют материальным уравнением.

Тогда становится ясным физический смысл диэлектрической проницаемости среды. Диэлектрическая проницаемость среды © показывает, во сколько раз данный диэлектрик ослабевает электрическое поле по сравнению с полем в вакууме.

Поток вектора напряженности электрического поля Е через замкнутую площадку S в однородном электрическом поле

по направлению совпадает с направлением линий напряженности электрического поля, а численное его значение характеризует густоту линий напряженности. Аналогично определяется поток вектора индукции электрического поля D через замкнутую площадку S в однородном электрическом поле.

Теорема Остроградского —Гаусса. Терему можно записать применительно к потоку вектора индукции либо к вектору напряженности электрического поля. В первом случае она выглядит так.

То есть поток вектора индукции электрического поля через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, заключенных внутри этой поверхности. Во втором случае.

Таким образом, поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность пропорционален алгебраической сумме зарядов, заключенных внутри этой поверхности.

Проводники в электрическом поле. Рассмотрим поведение проводников во внешнем электрическом ноле. Допустим, что мы имеем проводник, т. е. тело, способное проводить электрический ток за счет наличия свободных электронов. Электрическое поле внутри такого проводника отсутствует. А теперь включим внешнее электрическое поле, для простоты возьмем электростатическое. Свободные электроны внутри проводника придут в движение: электроны — начнут двигаться против направления поля (т.е. в сторону © электрического поля), оставшиеся положительные ионы — по направлению поля (в сторону © электрического поля). Движение прекратится, когда заряды достигнут стенок. В результате внутри проводника произойдет перераспределение зарядов, которое называется индукцией (не путайте с электрической индукцией).

Электрическая индукция — векторная физическая величина. Здесь же мы говорим о явлении под названием индукция, т. е. о перераспределении свободных зарядов внутри проводника под действием внешнего электриче;

Рис. 6.3. Явление индукции.

ского поля (Е). А сами эти заряды получили название индуцированные заряды. Наглядная иллюстрация индукции изображена на рис. 6.3.

Теперь внутри такого проводника между индуцированными (перераспределенными) положительными и отрицательными зарядами возникает свое собственное электрическое иоле (внутреннее ноле, Е₀). Внутреннее иоле равно по значению внешнему, но противоположно ему по направлению. В результате наложения внешнего и внутреннего полей получается, что.

т.е. суммарное поле внутри проводника равно нулю, значит, отсутствует.

На описанном явлении основано экранирование. В данном случае мы говорим об экранировании электростатического поля, но на таком же принципе основано экранирование электромагнитных полей.

Другими словами, от электромагнитного поля можно отгородиться (экранировать ноле) при помощи обычного металлического листа.