Электромагнитное взаимодействие между электрически заряженными телами происходит через электромагнитное поле. Решающими в становлении теории электромагнитного поля были исследования Майкла Фарадея (1791-1867) и Джеймса Максвелла (1831-1879). Если в определенной системе отсчета электрически заряженные тела неподвижны, то поле, существующее вокруг них, называют электрическим (электростатическим).
Электрическое поле имеет определенные свойства, которые можно исследовать. Для исследования электрического поля используют еще одну модель — так называемый пробный электрический заряд.
Пробный электрический заряд — положительно заряженное тело, поле которого не изменяет поле, в которое он внесен.
Свойства электрического поля
Основным свойством является возможность воздействовать на электрозаряды с определенной силой. По этому воздействию происходит изучение всех характеристик электрического поля. Само электрическое поле входит в состав общего электромагнитного поля. Поэтому, эл. поле может создаваться не только с помощью электрозарядов, но и под воздействием перемен ных магнитных полей. Тем не менее, электростатическое поле, постоянное по времени, может создаваться только под воздействием неподвижных зарядов.
Существование электрического поля должно подтверждаться определенными количественными характеристиками. Такие характеристики позволяют производить сравнение различных полей между собой, и более глубоко изучать их свойства. Основной характеристикой является сила, действующая на электрозаряды в любой точке этого поля. Таким образом, электрическое поле – это такая величина, которая вполне поддается материальному измерению и изучению.
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.
2. 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.
Напряженность электрического поля
Главное свойство электрического поля — способность действовать на внесенные в него электрические заряды с некоторой силой. Пусть электрическое поле создается точечным зарядом q. Здесь и далее, если нет специальных оговорок, считать электрическое поле однородным. Будем по очереди помещать в одну и ту же точку поля пробные заряды разной величины: q1 , q2 , … — и каждый раз измерять силу, которая действует на пробный заряд: F1 , F2 , …. Оказывается, что отношение силы к заряду в данной точке поля всегда является постоянной величиной:
Здесь и далее, описывая поведение заряда в электрическом поле, иметь в виду именно положительный заряд q.
В другой точке поля (или в электрическом поле другого заряженного тела) это отношение также выполняется, но его значение может быть другим.
Итак, отношение
зависит только от выбранной точки поля и является характеристикой силового воздействия поля. Силовая характеристика электрического поля называется напряженностью поля и обозначается буквой Е.
Напряженность электрического поля Е — это физическая величина, которая является силовой характеристикой поля и определяется отношением силы F, действующей в данной точке поля на пробный заряд q, к величине этого заряда:
Если пробный заряд равен единице, то можно дать и такое определение напряженности электрического поля в некоторой точке: напряженность электрического поля в данной точке равна силе, действующей на единичный пробный заряд, размещенный в этой точке.
Единица напряженности электрического поля — ньютон на кулон,
Как дальше будет выяснено, единицей напряженности является также вольт на метр,
Введя такую характеристику, мы можем говорить не о силе, с которой один точечный заряд действует на другой, а о силе, с которой на точечный заряд действует поле в той точке, где он размещен. С помощью современных приборов можно измерять напряженности поля. И, соответственно, можно рассчитать действие поля в данной точке на любое заряженное тело по формуле
Если электрическое поле создано одним точечным зарядом q, то, по закону Кулона, на пробный заряд q0 в точке на расстоянии r со стороны поля, создаваемого зарядом q, действует сила, модуль которой
Тогда напряженность поля точечного заряда q на расстоянии r от него:
Из формулы видно, что напряженность электрического поля точечного заряда уменьшается пропорционально квадрату расстояния от заряда.
Принцип суперпозиции
Принцип суперпозиции применяется, когда электрическое поле создано не одним заряженным телом, а несколькими. Поскольку напряженность, как и сила — векторная величина, то вектор напряженности результирующего поля равна векторной сумме напряженностей электрических полей, созданных каждым из этих зарядов в отдельности. В этом и заключается принцип суперпозиции (наложения) электрических полей.
Напряженность поля, созданного системой неподвижных зарядов, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, созданных каждым из этих зарядов в отдельности:
Этим объясняется то, что напряженность электрического поля вокруг тела, в состав которого входят и положительно, и отрицательно заряженные частицы, может равняться нулю, и тело в целом будет электронейтральна.
Графическое изображение электрических полей
Чтобы задать электрическое поле, надо указать направление и значение силы, действующей на пробный заряд, когда его разместить в той или иной точке поля. Это можно сделать графическим способом, предложенным Фарадеем, с помощью силовых линий (линий напряженности электрического поля).
Направление силовых линий совпадает с направлением вектора напряженности. В случае точечных зарядов силовые линии направлены от положительного заряда и заканчиваются в бесконечности или начинаются в бесконечности и идут к отрицательного заряда.
Сложнее провести линии напряженности, когда поле создано несколькими зарядами, например двумя. Такая система из двух зарядов называется диполем. Провести линию так, чтобы векторы напряженности в каждой точке совпадали с ней, преимущественно нельзя. Поэтому линии напряженности проводят так, чтобы векторы напряженности были направлены по касательной
Линии напряженности (силовые линии) электрического поля — непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с вектором напряженности поля.
На рисунке изображена еще несколько примеров электрических полей.
Изображая электрическое поле графически, нужно помнить, что линии напряженности нигде не пересекаются друг с другом, не должны прерываться между зарядами, начинаются на положительном заряде (или в бесконечности) и заканчиваются на отрицательном заряде (или в бесконечности).
Поле, напряженность которого во всех точках одинакова по модулю и направлению, называют однородным электростатическим полем. Примером такого поля является поле внутри пространства между заряженными пластинами (у краев пластин поле неоднородно).