Электрическое поле неподвижных зарядов

(электростатическое поле). Закон Кулона.

Электростатическое поле — это частный вид электромагнитного поля. Оно создается совокупностью электрических зарядов, неподвижных в пространстве по отношению к наблюдателю и неизменных во времени.

Из курса физики известно, что любое вещество состоит из элементарных заряженных частиц, окруженных электромагнитным полем.

Элементарные заряды (заряды электрона и протона) характеризуются связью с собственным и взаимодействием с внешними электрическими полями.

В теории поля усредняют микроскопические неоднородности вещества в пространстве и во времени.

В заряженном теле (если общий заряд его неизменен во времени) элементарные заряды движутся хаотически. Поэтому даже в непосредственной близости от поверхности этого тела создаваемое элементарными зарядами магнитное поле практически отсутствует. Это и дает возможность рассматривать в электростатическом поле лишь один электрический компонент электромагнитного поля.

Под зарядом (зарядом тела) понимают скалярную величину, равную алгебраической сумме элементарных электрических зарядов в этом теле.

В дальнейшем, как правило, будем иметь дело с полем, создаваемым в однородной и изотропной среде.

Среда, электрические свойства которой одинаковы для вех точек поля, называется однородной, при этом все бесконечно малые элементы объема обладают одинаковыми физико-химическими свойствами. Изотропной средой называется среда, в каждой точке которой относительная диэлектрическая проницаемостьне зависит от направления вектора напряженности поля.

Точечным зарядом называют заряд, линейные размеры которого несоизмеримо малы по сравнению с расстоянием до точки наблюдения или до других зарядов.

В основе теории электрического поля лежит закон взаимодействия «точечных» зарядов, открытый в 1785 г. Кулоном.

Этот закон содержит следующие положения:

1. Заряды одинаковой полярности отталкиваются, противоположной полярности — притягиваются.

2. Сила взаимодействия пропорциональна произведению абсолютных величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, зависит от среды, в которой расположены заряды, действует вдоль прямой линии, соединяющей заряды

,

где - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств среды, в которой взаимодействуют заряды;

- диэлектрическая проницаемость;

- диэлектрическая проницаемость вакуума;

- относительная диэлектрическая проницаемость (для вакуума =1, для воды = 81, для слюды = 5,6 – 6).

При использовании единиц системы СИ расстояние R выражают в метрах (м), заряды — в кулонах (Кл), электрическую постоянную — в фарадах на метр (Ф/м), тогда силу получают в ньютонах (Н).

С учетом векторного значения расстояния R закон Кулона имеет вид

, (2.1)

где — единичный вектор, направленный по линии, соединяющей заряды, к точке наблюдения (см. рис. 2.1).

Т.к. , где - радиус-вектор, направленный к точке наблюдения, то

. (2.2)

Эта формула математически отражает закон „взаимодействия" точечных зарядов. В действительности каждый из зарядов окружен электрическим полем, и при внесении в это поле другого заряда на последний будут действовать силы поля.

Если заряды q ₁и q ₂одного знака, то сила , действующая на заряд, находящийся в точке наблюдения (рис. 2.1), совпадает по направлению с радиус-вектором , т.е. имеет место отталкивание зарядов; если же заряды q ₁и q ₂имеют противоположные знаки, то сила направлена противоположно направлению радиус-вектора , т.е. имеет место притяжение зарядов.

Если электрическое поле создано п точечными зарядами, то при внесении в это поле заряда на него будет действовать сила, которая может быть определена на основании принципа наложения.

Принцип наложения в данном случае справедлив в силу линейной зависимости силы от зарядов. Таким образом,

,

где - радиус-вектор, проведенный из точки расположения заряда в точку, в которой размещен заряд .

Дата добавления: 2014-01-15