Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Возникновение этой физической величины связано с экспериментально установленным фактом, что отношение величины силы , действующего со стороны заряда Q на заряд , к величине этого заряда, есть постоянная величина для любых зарядов, помещенных в данную точку:

(8.3.1)

Эта характеристика определяется величиной исходного заряда и расстоянием от него до рассматриваемой точки пространства. Как показывал анализ экспериментов, взаимодействие заряженных тел, расположенных на расстоянии друг от друга происходит посредством некоторой материи, то есть взаимодействие заряженных тел можно объяснить существованием вокруг электрических зарядов электрического поля. Электрическое поле [7] представляет особенный вид материи, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Любой неподвижный электрический заряд Q создает вокруг себя электростатическое поле, которое в каждой точке пространства характеризуется векторной физической величиной – напряженностью электрического поля . В вакууме напряженность электрического поля описывается в скалярной и векторной форме соответственно выражениями:

, (8.3.2)

, (8.3.3)

где коэффициент k связан с диэлектрической проницаемостью вакуума формулой (8.2.3), а - единичный вектор, указывающий на направление электрического поля в данной точке пространства.

Напряженность электрического поля определяется как сила, действующая в данной точке пространства на единичный положительный заряд. Ее направление в каждой точке совпадает с направлением силы. В системе СИ единицей напряженности электрического поля является [В/м] – вольт/метр:

. (8.3.3)

Напряженность электрического поля в веществе определяется выражением:

, (8.3.4)

где диэлектрическая проницаемость среды ε описывается формулой (8.2.2).

Для электрического поля также как и при сложении сил Кулона, выполняется принцип суперпозиции. Он заключается в том, что суммарная напряженность электрического поля в данной точке, равна векторной сумме электрических полей всех зарядов . Другими словами для сложения электрических поле в заданной точке пространства справедливо правило сложения векторов:

. (8.3.5)

Электрическое поле принято обозначать с помощью, так называемых, силовых линий, перпендикулярных поверхности проводника и направленных от положительного заряда к отрицательному заряду (рис.8.4а).

При этом в любой точке пространства напряженность электрического поля направлена по касательной к силовой линии, пропорциональна числу линий, проходящих через единичную площадку. Величину заряда условно можно интерпретировать числом линий, выходящих или входящих в него в зависимости от его знака. На рис.8.4а представлены силовые линии электрического поля, выходящие из положительного заряда, и входящие в отрицательный заряд. Чем больше величина заряда, тем гуще силовые линии.

Электрическое поле, напряженность которого во всех точках одинакова по модулю и по направлению, называют однородным. К такому полю относится, например, электрическое поле между двумя пластинами конденсатора.

Рис.8.4. а) Силовые линии электрического поля, б) Траектория движения электрона в постоянном электрическом поле.

Пример 8.2. Частица массой m и зарядом q со скоростью V влетает в пространство между обкладками конденсатора, между которыми действует постоянное электрическое поле вблизи верхней обкладки конденсатора. Расстояние между обкладками d, а их длина l. Определить отклонение частицы от оси Х (рис.8.4б).

Рассмотрим движение заряженной частицы в электрическом поле на примере движения электрона, влетающего в однородное поле, направленное перпендикулярно скорости частицы.

Вдоль оси X электрон будет двигаться равномерно, а по оси Y - ускоренно. В этом случае на него будет действовать электростатическая сила. Уравнение движения электрона вдоль оси Y описывается вторым законом Ньютона:

.

По оси Х частица будет двигаться с постоянной скоростью, так как на нее не действую никакие силы, в течение времени:

.

По оси Y на частицу действует сила тяжести и кулоновская сила, поэтому второй закон Ньютона для нее имеет вид:

. (8.3.6)

Откуда ускорение частицы вдоль оси Y:

.

Расстояние s, на которое сместится частица, пролетев расстояние l, составляет:

.

Как видим, путь зависит от квадрата длины пути l, который прошла частица, то есть траекторией движения частицы будет парабола.

Если смещение s меньше расстояния между обкладками конденсатора d, то частица вылетит из него наружу, а если больше, то осядет на нижней его обкладке.

Электрическое поле – не отвлеченная реальность, оно существует так же, как и вещество. Поле и вещество – две основные формы существования материи. Основным свойством электрического поля является его способность действовать с силой на любой электрический заряд (покоящийся или движущийся). Это свойство используют для обнаружения и исследования электрических полей. Другое свойство электрических полей - их распространение со скоростью света. Элементарная частица электрического поля (его квант) называется фотоном. Масса фотона равна нулю. Следует отметить, что фотоны не имеют массы, но движутся со скоростью света. Реальные частицы имеют массу, но их скорость никогда не может достичь скорости света.

Дата добавления: 2014-01-07