Определение и изображение электрического поля

 

Электрические свойства тел объясняются присутствием в них заряженных частиц. Такие частицы, как электрон и протон, имеют равные по абсолютному значению заряды, при этом заряд электрона отрицателен, а заряд протона положителен. Указанные час­тицы вместе с нейтронами входят в состав атомов вещества, однако они могут находиться и в свободном состоянии. Если тело заряжено, то в нем преобладают положительные или отрицательные заряды; если число тех и других зарядов одинаково, то тело в электрическом отношении нейтрально.

Тела с одноименными зарядами отталкиваются, тела с разноименными зарядами притягиваются. Электрически заряженное тело неразрывно связано с окружающим его электрическим полем, через которое и осуществляется взаимодействие электрически заряженных тел.

Электрическое поле - одна из двух сторон электромагнитного поля, характеризующаяся воздействием на электрически заряженную частицу с силой, про­порциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.

Из определения электрического поля следует, что оно является силовым или векторным. Для обнаружения и изучения электрического поля используются пробные неподвижные точечные заряженные тела с очень малым положительным зарядом q. Линейные размеры точечных заряженных тел очень малы по сравнению с расстоянием до точек, в которых рас­сматривается их электрическое поле.

Ввиду малости линейных размеров и значения заряда пробного тела исследуемое электрическое поле практически можно считать неискаженным.

Далее будут рассмотрены электростатические поля, т. е. такие, которые создаются неподвижными "заряженными телами». Для краткости будем называть их просто электрическими полями.

Рассмотрим электрическое поле уединенного неподвижного точечного заряженного тела с зарядом Q (рис. 1.1 а), расположенного в произвольной точке горизонтальной плоскости. Поместим в точку А этой плоскости пробное заряженное тело с зарядом q. Поскольку, сила отталкивания, действующая на пробное заряженное тело, лежит на линии, соединяющей центры взаимодействующих заря-женных тел, пробное заряженное тело будет перемещаться в радиальном направлении (так же, как и пробное заряженное тело, помещенное в точку В).

Рисунок 1.1. Электрическое поле уединенного заряженного тела

Помещая пробное заряженное тело в другие точки и продолжая эти рассуждения, получим картину, которая условно изображает электрическое поле с помощью линий, называемых силовыми (рис. 1.1 б). В частном случае уединенного точечного заряженного тела силовые линии представляют собой прямые, проведенные через точку, в которой находится это тело. В общем случае вектор силы, с которой поле действует на пробное заряженное тело в данной точке поля, совпадает с касательной к силовой линии в этой точке.

ЗАКОН КУЛОНА. НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

 

Закон Кулона

Отмеченное ранее свойство электрического поля - силовое действие на заряженные частицы и тела - используется с целью его обнаружения и изучения. Для этого нужно поместить в пространство, окружающее тело с зарядом Q₁, другое тело с зарядом Q₂ (рис. 1.2). Первое тело вместе с его полем будем называть исследуемым, а второе пробным.

Рисунок 1.2. Взаимодействие двух одноименно заряженных тел

 

Опыт показывает, что на каждое из двух заряженных тел действуют одинаковые силы Fэ, направленные так, что тела с зарядами одного знака отталкиваются, а тела с зарядами разных знаков притягиваются.

В соответствии с принципом наложения можно полагать, что два заряженных тела окружены общим электрическим полем, которое получается в результате наложения двух полей, каждое из которых связано со своим заряженным телом, когда последнее уединено.

В таком случае силу Fэ можно рассматривать как результат силового действия общего электрического поля на каждое из заряженных тел. Количественно это действие определяется по формуле закона Кулона (1.1), которая справедлива для точечных заряженных тел.

Заряженное тело называется точечным, если его линейные размеры очень малы в сравнении с расстоянием от него до точек, в которых рассматривается его электрическое поле.

Таким образом взаимодействие точечных заряженных тел описывается законом Кулона.

Закон Кулона:

Величина силы, с которой на каждое из двух точечных заряженных тел, расположенных в среде, действует их общее электрическое поле, пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

(1.1)

где Q и q - заряды точечных тел;

r - расстояние - между их центрами;

- коэффициент пропорциональности, определенный выбором системы единиц.

e - относительная диэлектрическая проницаемость среды, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия в данной среде меньше, чем в вакууме (величина безразмерная);

e₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, которая называется электрической постоянной, имеющей в международной системе единиц (СИ) численное значение: 8,85*10^-12(Ф/м)

Величины, входящие в формулу (1.1), имеют следующие единицы измерения: сила [ Fэ ] - ньютон (Н); количество электричества (электрический заряд) [ Q ] - кулон (Кл).

Введем силовую характеристику поля – напряженность