Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей

Если в каждой точке исследуемого пространства обнаруживается действие некоторой силы, причем это действие изменяется закономерно при переходе от одной точки к другой, то говорят, что в этом пространстве существует поле сил. Любую физическую величину, которая имеет определенное значение в каждой точке пространства, можно рассматривать как характеристику поля. Если поле характеризуется скалярными величинами, например давлением, температурой, то оно является скалярным полем. В случае, когда поле характеризуется векторными величинами (т. е. характеризуется не только модулем, но и направлением), например векторами скоростей, мы имеем векторное поле. Любую векторную физическую величину можно рассматривать как характеристику векторного поля. Многие поля, изучаемые в физике, являются векторными.

Электрическим полем называют вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов, т. е. поле выполняет роль передатчика взаимодействий между заряженными телами.

Понятие электрического поля было введено Майклом Фарадеем в 30-х годах XIX в. Согласно Фарадею каждый покоящийся заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот.

Свойства электрического поля:

1) оно материально (обладает импульсом, энергией);

2) порождается электрическим зарядом;

3) обнаруживается по действию на заряд (действует на заряды с некоторой силой).

Поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим полем.

Исследуют электростатическое поле с помощью пробного заряда, который условились считать положительным. Под пробным зарядом понимается заряд, собственное поле которого не изменяет распределения остальных зарядов, создающих исследуемое поле.

Одной из важнейших характеристик электрического поля является его силовая характеристика, т. е. величина, характеризующая силу, действующую на электрический заряд со стороны поля в данной точке пространства. Напомним, что закон Кулона определяет силу взаимодействия только для точечных или сферических зарядов, тогда как в реальности чаще встречаются заряженные тела произвольной формы. Для упрощения определения силы действия на пробный заряд со стороны произвольных тел и вводят силовую характеристику поля.

Экспериментально обнаружено, что сила, действующая на пробный заряд со стороны поля, зависит от положения этого заряда в пространстве и его величины. Если мы заменим пробный заряд другим, то сила, действующая на него, изменится пропорционально отношению зарядов, когда электрические заряды, создающие поле, не меняли своего положения. Таким образом, силу, действующую на заряд q, можно записать в виде

где — силовая характеристика электрического поля, называемая напряженностью электрического поля.

Напряженность электрического поля , векторная физическая величина, являющаяся динамической характеристикой электрического поля, определяется отношением силы, действующей со стороны поля на точечный электрический заряд, к величине этого заряда:

В случае положительного заряда направление вектора напряженности электростатического поля совпадает с направлением вектора силы, а в случае отрицательного заряда они противоположны.

Единицей напряженности электростатического поля в СИ является 1 Н/Кл.

Численное значение напряженности электрического поля, созданного точечным зарядом g в вакууме в данной точке пространства, находящейся на расстоянии r от заряда, определяется по формуле

Зная в какой-либо точке пространства, можно определить силу, которая будет действовать на заряд, помещенный в данную точку. При этом нас может не интересовать расположение зарядов — источников этого поля.

Часто в экспериментальных задачах напряженность электрического поля определяется в большом числе точек и результаты, записываются в таблицы.

Гораздо нагляднее представлять поля графически. Этот способ придумал Майкл Фарадей. Он изображал электрическое поле с помощью силовых линий.

Силовая линия — направленная линия в пространстве, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля в этой точке (рис. 3).

Условились считать, что силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (это следует из выбора знака пробного заряда). По густоте силовых линий можно судить о величине напряженности электрического поля: там, где силовые линии гуще, напряженность поля больше (рис. 4). Силовые линии поля, созданного зарядом, не пересекаются, так как в противном случае вектор напряженности поля в точке пересечения имел бы несколько различных направлений (рис. 5).

Поля точечных положительного и отрицательного зарядов представлены на рисунке 6.

Поля двух одинаковых точечных зарядов разных знаков приведены на рисунке 7, а, б, а одного знака — на рисунке 8, а, б.

Поле двух неодинаковых зарядов показано на рисунке 10.

Эксперименты показывают, что так же, как и кулоновские силы, векторы напряженности электрического поля подчиняются принципу суперпозиции:

напряженность электрического поля системы точечных зарядов g₁, g₂, …, g_n, в некоторой точке пространства равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности в той же точке (рис. 11):

Принцип суперпозиции означает, что присутствие других зарядов никак не сказывается на поле, создаваемом данным зарядом, т. е. поля существуют независимо друг от друга.

Однородное поле — это поле, вектор напряженности которого в каждой точке пространства одинаков (по модулю и направлению), т.е. . Графически однородное поле представляется набором параллельных равноотстоящих друг от друга силовых линий.

Примерами однородного поля может быть поле внутри двух пластин (плоского конденсатора), заряды которых равны по модулю и противоположны по знаку (рис. 12), поле равномерно заряженной бесконечной плоскости в вакууме (рис. 13).

Дата добавления: 2015-05-06