Всё, с чем имеет дело физика, относится к материальному миру, так что, обобщённо говоря, можно сказать, что физика изучает изменение положения материи в пространстве и времени. Скорость, с которой движется любая часть материи, непосредственно связана с величиной энергии её движения, а в современной физике установлена неразрывная связь в виде прямой эквивалентности энергии и массы материи. Стало быть, мы должны заключить, что материей является, не только первично интуитивно понятное нам проявление массы, но так же и само пространство и время, в котором движется вся материя. Пространство и время – так же являются видом материи. Итак, основным предметом изучения физики является материя. Что прекрасно описывает и старое название этого предмета – «Материальная Философия», которое стало уступать место новому названию «Физика» только в начале XVIII века. Сделав это обобщение, и осознав его, мы, тем не менее, понимаем, что для нас не менее важно, чем до него, уметь различать всевозможные виды материи.
Электрическое поле – это особый вид материи, порождаемый электрическими зарядами и непреложно сопровождающий их. Элементарный электрический заряд в виде точки порождает элементарное сферически-симметричное электрическое поле. Для визуализации пространственного образа такого поля удобно воспользоваться аналогией с «одуванчиком». Центр цветка в такой аналогии – это точечный заряд, а его тончащие лепестки – это электрическое поле. Любая аналогия страдает недостатками, а поэтому следует сказать, что в реальном элементарном электрическом поле – плотность электрического поля, с удалением от точечного заряда, постепенно уменьшается, но никогда не оказывается равной нулю. Представляемый нами одуванчик имеет окончательную поверхность. А элементарное электрическое поле точечного заряда – истончается, истончается, истончается... но никогда не исчезает полностью, на расстоянии даже в квинтиллионы километров.
Поскольку элементарное сферически-симметричное электрическое поле, порождаемое любым точечным электрическим зарядом, является непреложным, т.е. существует всегда, пока существует заряд, и перестаёт существовать при исчезновении источника поля, то вообще говоря, нет смысла рассматривать в понятийном смысле: электрическое поле отдельно от заряда. Точно так же как нет смысла рассматривать по отдельности понятия положительных и отрицательных чисел – одно не имеет смысла без другого. Поле (электростатическое) существует тогда и только тогда, когда существует электрический заряд, а когда существует электрический заряд – непременно существует и его электрическое поле. Таким образом, нужно понимать, что поле электрического заряда – это его «руки» и «ноги», которые у него отнять невозможно. Так что, если мы видим заряженный металлический шар, то нужно понимать, что кроме того, что мы видим (т.е. шар) существует ещё и его электрическое поле, своими тонкими нитями протирающееся сквозь всё необозримое пространство, включая и нас самих – наблюдателей. Причём у любого электрического поля, как и у любой материи, есть и масса и энергия. Так, скажем, если зарядить металлический шар, размером с дыню до 300 вольт, то его внешнее электрическое поле будет весить около 0.00000000001 нанограмма или 0.00000001 пикограмма, что сравнимо с массой примерно 1000 атомов.
Как же можно «потрогать» это невидимое, всепроникающее электрическое поле и является ли оно таким уж всепроникающим? У человека есть несколько достаточно тонко настроенных и развитых чувств. Однако электрический заряд эти чувства не видят, не слышат, не осязают, а поэтому нам нужно построить некоторую модель восприятия – опыт, в котором мы увидим проявление поля – именно это и подразумевается под словом «потрогать». ответ на этот вопрос, как «потрогать» поле проясняет ещё одну важную особенность электрического поля — его векторный характер. И научиться «трогать» поле – довольно просто. Если у нас уже есть один точечный (ну или сферически-симметричный) электрический заряд, то мы можем догадываться, что он порождает/создаёт (а фактически имеет) вокруг себя элементарное сферически-симметричное электрическое поле. Назовём этот заряд, поле которого мы хотим «потрогать» – центральный заряд (ЦЗ).
Вы наверное не раз слышали, что в металлах есть "свободные" электроны. так вот, "свободные" электроны - это не совсем правильно. На самом деле они не совсем свободные. Давай рассмотрим медный проводник, допустим кольцо из медной проволоки. Каждый атом меди состоит из ядра с зарядом (+29) и 29 электронов (каждый с зарядом (-1)). Эти электроны не одинаковы, они распределены по энергетическим уровням. Электронная формула меди 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s1. Электроны, находящиеся на энергетических уровнях 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 удерживаются ядром достаточно прочно и находятся каждый возле "своего" ядра, а вот электрон, находящийся на энергетическом уровне 4s1 - очень слабо. Образно говоря, достаточно "дунуть" чтобы не оторвать совсем, а переместить его от одного ядра к другому. У того другого ядра появится лишний электрон, но оно (ядро) не может удержать лишний электрон и передает его третьему, тот следующему и т. д. Эта передача электронов в отсутствие внешних сил хаотична, без определенного направления. В конце концов этот лишний электрон придет к тому ядру, от которого мы его "сдули". Таким образом, электроны, находящиеся на энергетических уровнях 4s1 всех атомов постоянно и очень легко переходят от одного атома к другому. Вот в этом смысле они и называются свободными. Теперь рассмотрим то же медное кольцо, один участок которого помещен в магнитное поле и под действием внешней (механической) силы движется в нем поперек силовых линий магнитного поля (эта часть кольца генератор, а остальные части - провода и потребитель, например лампочка) . Фактически, если опуститься на уровень атомов, под действием приложенной механической силы движутся ядра и электроны. По закону уж не помню кого (я физику уже основательно подзабыл) на движущиеся в магнитном поле заряды действует сила, которая направлена перпендикулярно направлению движения проводника в целом. Эта сила не может заставить перемещаться ядра (они очень тяжелые) и связанные с ними электроны, находящиеся на энергетических уровнях 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10. А вот, так называемые "свободные электроны" (на уровне 4s) она заставляет перемещаться вдоль проводника. Теперь уже движение "свободных" электронов не хаотичное, а строго направленное. Электрон от первого атома перемещается ко второму, от второго к третьему, от третьего.. . и так далее. Наконец, электрон от последнего атома перемещается к первому (не забываем, что проводник у нас свернут в кольцо. Таким образом, у каждого атома меди вновь стало по 29 электронов, но 4s электроны не свои, а от соседа. В следующий момент времени все "свободные" электроны сместятся еще на 1 позицию в том же направлении. Работа генераторов переменного тока организована так, что грубо говоря рамка с током вращается в постоянном магнитном поле (в промышленных с частотой 50 герц) . Поэтому, в первую половину оборота проводник (одна сторона рамки) пересекает силовые линии вблизи северного полюса магнита, и электроны движутся в каком-то одном направлении. Во вторую половину оборота рамки рассматриваемый проводник пересекает силовые линии вблизи южного полюса магнита, и электроны движутся в противоположном направлении, и так 50 раз в секунду. Правда, на самом деле напряженность магнитного поля, которое пересекает проводник, не постоянная, а изменяется по синусоиде, но это не изменяет сути происходящего. В итоге получается переменный электрический ток, т. е. электроны фактически не уходят далеко от своих ядер, а "болтаются" туда-сюда, как на качелях. Вот примерно так.
1.U=110 B
I=200A
P=?
U^2/R
220/200=1.1 Вт
ответ:1,1 Вт
2.U=6B
R=1.5Bт
I-?
U/R= 6/1,5=4
ответ: I=4А
3.U=220В
I=4.6A
P-?
p=U*I=220*4,6=1012
ответ: P=1012 Вт
ヽ(*・ω・)ﾉ