Электрическое поле – это материальный объект, делающий возможным взаимодействие между заряженными телами

Согласно закону Кулона сила взаимодействия между двумя неподвижными заряженными точечными телами пропорциональна произведению их зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Электрическая сила взаимодействия между заряженными телами зависит от величины их зарядов, размеров тел, расстояния между ними, а также от того, в каких частях тел находятся эти заряды. Если размеры заряженных тел значительно меньше расстояния между ними, то такие тела называют точечными. Сила взаимодействия между точечными заряженными телами зависит только от величины их зарядов и расстояния между ними.

Закон, описывающий взаимодействие двух точечных заряженных тел, был установлен французским физиком Ш. Кулоном, когда он измерял силу отталкивания между небольшими одноимённо заряженными металлическими шариками (см. рис. 34а). Установка Кулона состояла из тонкой упругой серебряной нити (1) и подвешенной на ней лёгкой стеклянной палочки (2), на одном конце которой был укреплён заряженный металлический шарик (3), а на другом противовес (4). Сила отталкивания между неподвижным шариком (5) и шариком 3 приводила к закручиванию нити на некоторый угол, a, по которому можно было определить величину этой силы. Сближая и отдаляя между собой одинаково заряженные шарики 3 и 5, Кулон установил, что сила отталкивания между ними обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Чтобы установить, как сила взаимодействия между шариками зависит от величины их зарядов, Кулон поступал следующим образом. Сначала он измерял силу, действующую между одинаково заряженными шариками 3 и 5, а потом касался одного из заряженных шариков (3) другим, незаряженным шариком такого же размера (6). Кулон справедливо полагал, что при соприкосновении одинаковых металлических шариков электрический заряд поровну распределится между ними, и поэтому на шарике 3 останется только половина его первоначального заряда. При этом, как показали опыты, сила отталкивания между шариками 3 и 5 уменьшалась в два раза, по сравнению с первоначальной. Изменяя подобным образом заряды шариков, Кулон установил, что они взаимодействуют с силой, пропорциональной произведению их зарядов.

В результате многочисленных опытов Кулон сформулировал закон, определяющий модуль силы F₁₂, действующей между двумя неподвижными точечными телами с зарядами q₁ и q₂, расположенными на расстоянии r друг от друга:

где k – коэффициент пропорциональности, значение которого зависит от используемой системы единиц, и который часто по причинам, связанным с историей введения систем единиц, заменяют на (4pe0)-1 (см. 34.1). e0 называют электрической постоянной. Вектор силы F₁₂ направлен вдоль прямой, соединяющей тела, так, что разноимённо заряженные тела притягиваются, а одноимённо заряженные отталкиваются (рис. 34б). Этот закон (см. 34.1) называют законом Кулона, а соответствующие электрические силы – кулоновскими. Закон Кулона, а именно зависимость силы взаимодействия от второй степени расстояния между заряженными телами, до сих пор подвергается экспериментальной проверке. В настоящее время показано, что показатель степени в законе Кулона может отличаться от двойки не более, чем на 6.10-16.

В системе СИ единицей электрического заряда служит кулон (Кл). Заряд в 1 Кл равен заряду, проходящему за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока, равной 1 амперу (А). В системе СИ

k = 9.109 Н.м²/Кл², а e0 = 8,8.10-12 Кл² /(Н.м²) (34.2)

Элементарный электрический заряд, e, в СИ равен:

e = 1,6.10^-19 Кл. (34.3)

По своему виду закон Кулона очень похож на закон всемирного тяготения (11.1), если заменить в последнем массы на заряды. Однако, несмотря на внешнее сходство, гравитационные силы и кулоновские отличаются друг от друга тем, что

1. гравитационные силы всегда притягивают тела, а кулоновские могут как притягивать, так и отталкивать тела,

2. кулоновские силы гораздо сильнее гравитационных, например, кулоновская сила, отталкивающая два электрона друг от друга, в 1042 раз больше силы их гравитационного притяжения.

Вопросы для повторения:

· Что такое точечное заряженное тело?

· Опишите опыты, с помощью которых Кулон установил закон, названный его именем?

Рис. 34. (а) - схема экспериментальной установки Кулона для определения сил отталкивания между одноимёнными зарядами; (б) – к определению величины и направления действия кулоновских сил при использовании формулы (34.1).

§ 35. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ. НАПРЯЖЁННОСТЬ. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ ПОЛЕЙ.

Закон Кулона, позволяет вычислить силу взаимодействия между двумя зарядами, но не объясняет, как один заряд действует на другой. Через какое время, например, один из зарядов «почувствует», что другой заряд стал приближаться или отдаляться от него? Связаны ли чем-нибудь между собой заряды? Чтобы ответить на эти вопросы, великие английские физики М. Фарадей и Дж. Максвелл ввели понятие электрического поля – материального объекта, существующего вокруг электрических зарядов. Таким образом, заряд q1 порождает вокруг себя электрическое поле, а другой заряд q2, оказавшись в этом поле, испытывает на себе действие заряда q1 согласно закону Кулона (34.1). При этом, если положение заряда q1 изменились, то изменение его электрического поля будет происходить постепенно, а не мгновенно, так, что на расстоянии L от q1 изменения поля произойдут через промежуток времени L/c, где с – скорость света, 3.108 м/с. Запаздывание изменений электрического поля доказывает то, что взаимодействие между зарядами согласуется с теорией близкодействия. Эта теория объясняет любое взаимодействие между телами, даже отдалёнными друг от друга, существованием каких-либо материальных объектов или процессов между ними. Материальным объектом, осуществляющим взаимодействие между заряженными телами, является их электрическое поле.

Чтобы охарактеризовать данное электрическое поле, достаточно измерить силу, действующую на точечный заряд в различных областях этого поля. Опыты и закон Кулона (34.1) показывают, что сила, действующая на заряд со стороны поля, пропорциональна величине этого заряда. Поэтому отношение силы F, действующей на заряд в данной точке поля, к величине этого заряда q, уже не зависит от q и является характеристикой электрического поля, называемой его напряжённостью, E:

Напряжённость электрического поля, как следует из (35.1), является вектором, направление которого совпадает с направлением силы, действующей в данной точке поля на положительный заряд. Из закона Кулона (34.1) следует, что модуль напряжённости E поля точечного заряда q зависит от расстояния r до него следующим образом:

Векторы напряжённости в различных точках электрического поля положительного и отрицательного зарядов показаны на рис. 35а.

Если электрическое поле образовано несколькими зарядами (q₁, q₂, q₃ и т.д.), то, как показывает опыт, напряжённость E в любой точке этого поля равна сумме напряжённостей E₁, E₂, E₃ и т.д. электрических полей, создаваемых зарядами q₁, q₂, q₃ и т.д., соответственно:

В этом и состоит принцип суперпозиции (или наложения) полей, который позволяет определить напряжённость поля, созданного несколькими зарядами (рис. 35б).

Чтобы показать, как изменяется напряжённость поля в различных его областях, рисуют силовые линии - непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с векторами напряжённости (рис. 35в). Силовые линии не могут пересекаться между собой, т.к. в каждой точке вектор напряжённости поля имеет вполне определённое направление. Они начинаются и заканчиваются на заряженных телах, вблизи которых модуль напряжённости и густота силовых линий возрастает. Густота силовых линий пропорциональна модулю напряжённости электрического поля.

Вопросы для повторения:

· Что такое электрическое поле и как оно связано с теорией близкодействия?

· Дайте определение напряжённости электрического поля.

· Сформулируйте принцип суперпозиции полей.

· Чему соответствуют силовые линии поля, и каковы их свойства?

Рис. 35. (а) - векторы напряжённости в различных точках электрического поля положительного (верх) и отрицательного (низ) заряда; векторы напряжённости (б) и те же векторы вместе с силовыми линиями (в) электрического поля двух точечных зарядов разного знака.

§ 36. ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ.

Дата добавления: 2014-10-15