2 Электростатическое поле и его характеристики

Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать электрический заряд. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженное тело взаимодействует с другими заряженными телами. Имеются два вида электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Электрический заряд является неотъемлемым свойством некоторых элементарных частиц. Заряд всех заряженных элементарных частиц одинаков по абсолютной величине и равен 1,6×10^-19 Кл. Носителем элементарного отрицательного электрического заряда является, например, электрон. Протон несет положительный заряд, нейтрон электрического заряда не имеет. Атомы и молекулы всех веществ построены из протонов, нейтронов и электронов. Обычно протоны и электроны присутствуют в равных количествах и распределены в веществе с одинаковой плотностью, поэтому тела нейтральны. Процесс электризации заключается в создании в теле избытка частиц одного знака или в их перераспределении (создании в одной части тела избыток заряда одного знака; при этом в целом тело остается нейтральным).

Опытным путем установлен закон сохранения электрических зарядов: в замкнутой системе тел электрические заряды не возникают и не исчезают, они лишь передаются от одного тела к другому или перемещаются внутри данного тела. При электризации тел трением одновременно электризуются оба тела, одно из них получает положительный заряд, а другое отрицательный. Положительный заряд первого тела всегда равен отрицательному заряду второго тела, если до электризации тела не были заряжены.

Сила взаимодействия электрических зарядов была впервые определена Шарлем Кулоном в 1785 г. экспериментальным путем с помощью крутильных весов.

Закон Кулона: Сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов q_i и q_k и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними.

. (8.1)

Здесь ₀ – электрическая постоянная, ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды. Относительная диэлектрическая проницаемость среды ε показывает, во сколько раз сила взаимодействия между двумя точечными зарядами в вакууме больше, чем в среде.

Закон Кулона в виде (8.1) справедлив только для точечных зарядов (т.е. для таких заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними) и для заряженных тел шарообразной формы (при равномерном распределении зарядов). Закон Кулона выражает силу взаимодействия между неподвижными зарядами.

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами осуществляется через особую форму материи, называемую электростатическим полем. Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства – создает в нем электростатическое поле. Это поле проявляет себя в силовом действии на любой электрический заряд, помещенный в какую-либо его точку. Опыт показывает, что отношение силы , действующей на точечный заряд q, помещенный в данную точку электростатического поля, к величине этого заряда для всех зарядов оказывается одинаковым. Это отношение называется напряженностью электрического поля и является его силовой характеристикой:

(8.2)

Единица измерения напряженности электрического поля В/м (Н/Кл).

Опытным путем установлено, что для электростатического поля справедлив принцип суперпозиции: электростатическое поле порождаемое несколькими зарядами, равно векторной сумме электростатических полей , порождаемых каждым зарядом в отдельности:

. (8.3)

Заряды, помещенные в электростатическое поле, обладают потенциальной энергией. Опыт показывает, что отношение потенциальной энергии W положительного точечного заряда q, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда есть величина постоянная. Это отношение является энергетической характеристикой электростатического поля и называется потенциалом:

φ = W/q (8.4)

Потенциал электростатического поля численно работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в бесконечность. Единица измерения вольт (В).

Две характеристики электростатического поля – напряженность и потенциал связаны между собой соотношением:

(8.5)

Знак “минус” указывает, что вектор напряженности электрического поля направлен в сторону уменьшения потенциала. Отметим, что если в некоторой области пространства потенциалы всех точек имеют одинаковый потенциал, то

Электростатическое поле можно изображать графически с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой линией электрического поля называется воображаемая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности . Силовые линии электростатического поля оказываются разомкнутыми: они могут начинаться или заканчиваться только на зарядах либо уходить в бесконечность. Силовые линии поля никогда не пересекаются. Густота силовых линий пропорциональна вектору напряженности (количество линий пронизывающих единицу поверхности перпендикулярной к линиям, равно численному значению вектора напряженности).

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля используют эквипотенциальные поверхности – поверхности, во всех точках которых потенциал имеет одинаковое значение.

Легко показать, что силовая линия электростатического поля всегда пересекает эквипотенциальную поверхность под прямым углом. На Рис. 8 представлены силовые линии и эквипотенциальные поверхности точечных электрических зарядов.

Рисунок 8 - Силовые линии и эквипотенциальные поверхности

точечных зарядов