§7.2. Электрическое поле. Напряженность.

1. Взаимодействие частиц на расстоянии в физике описывают с помощью особого вида материи – силового поля. Примером является гравитационное поле: оно создается частицей, имеющей массу, и действует на другую частицу, помещенную в гравитационное поле и обладающую массой. Аналогичным образом можно рассматривать взаимодействие частиц, обладающих зарядами. Заряд изменяет свойства окружающего его пространства, создавая в нем электрическое поле. Обнаруживает себя это поле силой, действующей на другой заряд. Рассмотрим закон Кулона (формула 7.1.1). Будем считать, что первый заряд создает поле, и это поле действует на второй заряд, причем, зависит только от источника поля, и от положения точки поля относительно источника, т.е. является силовой характеристикой поля. Можно сказать, что поле первого заряда бдительно следит за появлением «чужака», и, как только он где-либо в поле появится, тут же действует на него соответствующей силой. Этот способ описания взаимодействия зарядов абсолютно симметричен: можно считать, что второй заряд создает поле, а это поле действует силой на первый заряд. Силовая характеристика электрического поля называется напряженностью, обозначается , в СИ измеряется в вольтах на метр (В/м). На посторонний заряд q поле действует силой

(7.2.1)

Поле, созданное неподвижными зарядами, называется электростатическим. Напряженность поля точечного заряда q в точке, заданной вектором , проведенным из заряда ( см. формулу 7.1.1):

(7.2.2)

Вектор напряженности электростатического поля точечного заряда направлен вдоль прямой, соединяющей точку, где находится заряд, с данной точкой поля. Он выходит из точки поля и направлен от заряда, если он положительный, и к заряду, если он отрицательный. Величина напряженности

E= (7.2.3)

Пусть имеется система точечных зарядов q_i (i=1, 2, …). Поместим в некоторую точку системы, положение которой относительно каждого ее заряда указывает вектор , посторонний заряд q. На него со стороны каждого заряда системы действует кулоновская сила. Их равнодействующая:

(7.2.4)

Полученный результат называется принципом суперпозиции (независимого сложения) электрического поля: если имеется несколько источников, то каждый из них создает свое поле независимо от всех прочих, и эти поля, складываясь, дают результирующее поле¹. Формула принципа суперпозиции такова:

(7.2.5)

2. Поле известно, если известен вектор напряженности в каждой точке. Электрическое поле можно изображать графически векторами напряженности. Этот способ удобен для изображения поля в отдельных точках. Если поле надо нарисовать в некоторой области пространства, то используют линии напряженности (их называют еще силовыми линиями). Касательная к силовой линии указывает направление в данной точке поля, густота (плотность) силовых линий вблизи этой точки равна величине напряженности. Силовые линии электростатического поля выходят из положительного заряда и входят в отрицательный заряд.

На рис. 34 показаны силовые линии поля положительного и отрицательного точечных зарядов, поля диполя, а также области некоторого электростатического поля - образующие его заряды находятся вне рассматриваемой области.

Рис. 34

Диполь – два точечных разноименных зарядов одинаковой величины. На рис. 34 в одной из точек поля диполя показано построение вектора напряженности с помощью принципа суперпозиции. Силовые линии – воображаемые, но их можно сделать видимыми (вспомните лекционные демонстрации).