69. Поле точкового заряду. Силові лінії електричного поля. Геометрична інтерпретація полів силовими лініями.

Взаємодія зарядів за законом Кулона є експериментально встановленим фактом. Однак математичний вираз закону взаємодії зарядів не розкриває фізичного змісту самого процесу взаємодії, не пояснює, яким чином відбувається дія заряду q₁ на заряд q₂.

Теорія близькодії, створена на основі дослідження англійського фізика М. Фарадея, пояснює взаємодію електричних зарядів тим, що навколо кожного електричного заряду існує електричне поле - особливий вид матерії, що існує незалежно від наших знань про нього і має енергію. Електричне поле неперервне в просторі і здатне діяти на інші електричні заряди.

Тобто, електричне поле – це матеріальна складова електро-магнітного поля, яка діє на заряд, зумовлене зарядами або змінним у часі магнітим полем. Основною ознакою електричного поля є те, що на будь-який заряд, внесений у це поле діє сила.

Повне уявлення про розподіл поля можна дістати з рисунка, на якому зобразити вектори напруженості, а також показати неперервні лінії, дотичні до яких в кожній точці, через яку вони проходять, збігаються з вектором напруженості. Ці лінії називаються силовими лініями або лініями напруженості (рис.4.1.7). Силова лінія – це математична лінія, напрям дотичної до якої у кожній точці збігається з напрямом напруженості Е у цій точці. Силові лінії можна зробити видимими, якщо довгасті кристалики діелектрика, наприклад, хініну (ліків від малярії) добре перемішати у в'язкій рідині (рициновій олії) і помістити туди заряджені тіла; поблизу цих тіл кристалики "вишикуються" в ланцюжки вздовж ліній напруженості.

Силовим лініям приписують певний напрям, позначаючи його стрілками. За додатній напрям вважають напряв вектора Е. силові лінії позитивно зарядженого тіла виходять із його поверхні і простягаються в нескінченність, а негативно зарядженого – навпаки. У загальному випадку силові лінії починаються на позитивно заряджених тілах і закінчуються на негативно заряджених. Силові лінії однорідноо поля є паралельними між собою і мають однаковий напрям.

Зобразимо поле різних тіл (рис. 4.1.8 - 4.1.11).

Силові лінії електричного поля точкових зарядів незамкнені. Вони починаються на позитивних електричних зарядах і закінчуються на негативних (рис. 4.1.8 - 4.1.11). Віддалік від країв пластин силові лінії паралельні: електричне поле однакове у всіх точках (рис. 4.1.11).

71. Електричний диполь. Дипольний момент. Поле диполя.

Електричний диполь — це два різнойменних точкових заряди рівних за модулем.

Двополюсник. Розрізняють диполь електричний і магнітний. Електричний диполь — сукупність двох рівних за абсолютною величиною різнойменних зарядів, які знаходяться на певній відстані один від одного. Характеристикою диполя електричного є дипольний момент. Молекули багатьох речовин можна розглядати як диполі. Електричний дипольний момент - векторна фізична величина, що характеризує, поряд з сумарним зарядом (і рідше використовуються вищими мультипольних моментами), електричні властивості системи заряджених частинок (розподілу зарядів) в сенсі створюваного нею поля і дії на неї зовнішніх полів. Головна після сумарного заряду і положення системи в цілому (її радіус-вектора) характеристика конфігурації зарядів системи при спостереженні її здалеку.

Найпростіша система зарядів, що має певний (не залежить від вибору початку координат) ненульовий дипольний момент - це диполь (дві точкові частинки з однаковими по величині різнойменними зарядами). Електричний дипольний момент такої системи за модулем дорівнює добутку величини позитивного заряду на відстань між зарядами і направлений від негативного заряду до позитивного, або: - Де q - величина позитивного заряду, - вектор з початком у негативному заряді і кінцем в позитивному.

Для системи з N частинок електричний дипольний момент дорівнює

Де - заряд частки з номером а - її радіус-вектор, або, якщо підсумовувати окремо по позитивним і негативним зарядам:

де - число позитивно / негативно заряджених частинок, - їх заряди; - сумарні заряди позитивної і негативної підсистем і радіус-вектори їх «центрів тяжіння» [прим 2].

Електричний дипольний момент нейтральної системи зарядів не залежить від вибору початку координат, а визначається відносним розташуванням (і величинами) зарядів в системі.

З визначення видно, що дипольний момент аддитивен (дипольний момент накладення декількох систем зарядів дорівнює просто векторної сумі їх дипольних моментів), а в разі нейтральних систем це властивість набуває ще більш зручну форму в силу викладеного в абзаці вище.

Подробиці визначення та формальні властивості

Електричний дипольний момент (якщо він ненульовий) визначає в головному наближенні електричне [прим 3] поле диполя (або будь обмеженою системи з сумарним нульовим зарядом) на великій відстані від нього, а також вплив на диполь зовнішнього електричного поля.

Фізичний і обчислювальний сенс дипольного моменту полягає в тому, що він дає поправки першого порядку (найчастіше - малі) в положення кожного заряду системи по відношенню до початку координат (яке може бути умовним, але наближено характеризує становище системи в цілому - система при цьому мається на увазі досить компактної). Ці поправки входять в нього на увазі векторної суми, і скрізь, де при обчисленнях така конструкція зустрічається (а в силу принципу суперпозиції і властивості складання лінійних поправок - см.Полний диференціал - така ситуація зустрічається часто), там в формулах виявляється дипольний момент.Електри́чним ди́польним моме́нтом або просто дипольним моментом системи зарядів qi називається сума добутків величин зарядів на їхні радіус-вектори. Зазвичай дипольний момент позначається латинською літерою d або латинською літерою p. Природними одиницями вимірювання дипольного заряду в системі СІ є кулон на метр, хоча така одиниця є надзвичайно великою для практичного використання, тому застосовуються інші одиниці. У атомній фізиці здебільшого використовується одиниця Дебай. Дипольний момент має надзвичайне значення в фізиці при вивченні нейтральних систем. Дія електричного поля на нейтральну систему зарядів й електричне поле створене нейтральною системою визначаються в першу чергу дипольним моментом. Це, зокрема, стосується атомів і молекул.

Нейтральні системи зарядів з відмінним від нуля дипольним моментом називають диполями.

Електричне поле, створене диполем

Здебільшого постає задача визначення електричного поля на віддалі, набагато більшій за віддаль між зарядами. В такому випадку потенціал електричного поля визначається за формулою

,

а його напруженість

,

де d- це радіус-вектор точки, в якій визначається напруженість електричного поля.

Звідси видно, що створене диполем електричне поле спадає із віддаллю як 1/r3. Порівняно із іншими типами полів, які створюються нейтральними атомами й молекулами це спадання дуже повільне. Диполі взаємодіють один із одним навіть на значній віддалі. Поле, створене диполем неізотропне, і навіть міняє знак в залежності від напрямку.