Электрическое поле и его характеристики

Лекция №7

Электростатика

Электрическое взаимодействие и заряд

В природе есть силы взаимодействия между телами значительно превышающие силу гравитационного притяжения - электрические силы. Они широко распространены и возникают между телами, обладающими таким свойством как электрический заряд. Весь наш мир построен на электрическом взаимодействии тел, без этого взаимодействия не было бы ни атомов, ни молекул, ни света.

Всего 250 лет назад человечество практически ничего не знало об электричестве, кроме нескольких забавных фактов, известных ещё с древних времён: натёртый шерстью янтарь или стекло притягивают лёгкие предметы (пылинки, ворсинки, кусочки бумаги). Лишь в XVI веке систематическим изучением электрического взаимодействия занялся английский врач Гильберт, который установил, что есть два вида электрических зарядов (условно их назвали положительными и отрицательными). В 1785 г. французский физик Шарль Кулон, следуя закону всемирного тяготения (ЗВТ), с помощью изобретённых им крутильных весов (см. лекцию №2) установил закон взаимодействия двух материальных точек с зарядами  и , разделённых расстоянием r (закон Кулона):

                                 ,

где .

Сопоставляя закон Кулона с ЗВТ, отметим сходства и различия сил электростатического и гравитационного взаимодействия:

Сходства	Различия
1. Оба имеют центральный характер;	1. ; Fк зависит от свойств среды;
2. Обе силы ;	2. Для  есть притяжение и отталкивание, для - только притяжение;
3. Оба строго справедливы только для точечных и сферических тел.	3. От  нет экрана, а от Fк можно защититься проводящей оболочкой.

Кулон также установил, что электрический заряд тел может изменяться только дискретно (т.е. порциями). Этот факт свидетельствовал о связи между электрическим зарядом и частицами вещества. Оказалось, что наименьший (элементарный) заряд имеют электрон и протон. Экспериментальное открытие электрона было совершено в 1897 году Дж. Томсоном, а протона - в 1919 году Э. Резерфордом; причём, оказалось, что:  и Кл, где  - массы протона и электрона, соответственно.

Что же такое электрический заряд? Частица? Новый вид материи? Электрический заряд - это свойство частицы взаимодействовать с другими заряженными частицами с силой, описываемой законом Кулона.

Электрическое поле и его характеристики

Взаимодействие заряженных тел осуществляется посредством особого вида материи - электрического поля, возникающего вокруг них и имеющего все атрибуты материи (массу, энергию, скорость, импульс). Обнаружить это поле можно только по наличию силы, действующей на внесённое в него заряженное тело.

В данной точке пространства электростатическое поле (порождаемое неподвижными заряженными телами) характеризуется двумя величинами: силовой - напряжённостью ( ) и энергетической - потенциалом ( ).

Напряжённостью электрического поля называют векторную величину , равную отношению силы , действующей на другой (пробный) положительный заряд q в данной точке поля, к величине этого заряда:                   

                    (В/м).

Потенциалом электрического поляв данной точке называют величину , равную отношению работы , совершаемой полем (или сторонней силой против поля) при перемещении им пробного заряда  из данной точки на бесконечность:

Þ 1 Вольт.

Поскольку эл. поле простирается в бесконечность, то чаще используют понятие разности потенциалов  двух точек поля С и В, как величины, равной отношению работы  поля по перемещению положительного заряда qиз точки  в точку  к величине этого заряда: . Наглядный пример  - "шаговое" напряжение между двумя точками поверхности грунта вблизи точки касания его оборванным проводом линии электропередачи.

Между характеристиками эл. поля есть взаимосвязь: , т.е. напряжённость пропорциональна величине градиента потенциала. Знак (-) указывает на уменьшение  в направлении уменьшения потенциала .

Для обеих характеристик электрического поля выполняется принцип суперпозиции(сложения): если в данной области пространства эл. поле порождается N зарядами, то в любой точке этой области результирующие напряжённость и потенциал равны сумме напряжённостей и потенциалов полей, создаваемых отдельными зарядами:  и ; причём векторы  складываются по правилу параллелограмма, а скаляры  - алгебраически, т.е. с учётом их знака.

Изображают эл. поле с помощью силовых линий - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с , действующей на пробный заряд (поэтому эти линии выходят из и заканчиваются на Ө зарядах или уходят в бесконечность). Густота силовых линий пропорциональна напряжённости Е поля.

Электрический диполь - система двух равных по величине разноимённых эл. зарядов q, разнесённых в пространстве на расстояние l. Он характеризуется электрическим моментом диполя: (направленным от отрицательного к положительному заряду). Электрические диполи широко распространены в природе (сердце, молекулы электролитов и др.).

Работа по перемещению заряда в электрическом поле не зависит от формы траектории, а определяется только расстоянием между начальным и конечным положениями заряда (в этом отношении электрическое поле подобно гравитационному).

Эквипотенциальные поверхности - это поверхности в эл. поле, характеризуемые одинаковым потенциалом (j =const). Например, для поля точечного заряда эквипотенциальными поверхностями являются сферы. При перемещении заряда по таким поверхностям работа , так как для них . Но  только в случае, если сила перпендикулярна направлению перемещения заряда. Следовательно, силовые линии электрического поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.