Электрический заряд. Закон Кулона. Основные векторы электрического поля

Источники электромагнитных полей (помех)

Все электромагнитные поля делятся на поля электрические, магнитные и электромагнитные. Различают статические (не изменяющиеся во времени), квазистатические (низкочастотные) и динамические (высокочастотные) поля. Рассмотрение удобно начинать со статических полей.

Электрическое поле

Электрический заряд. Закон Кулона. Основные векторы электрического поля.

Источниками электрических полей являются электрические заряды (заряженные тела). Уже на раннем этапе изучения электрических явлений было установлено, что заряды бывают положительными или отрицательными, причем одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Первым закон взаимодействия зарядов открыл и исследовал Кулон, имя которого носит закон взаимодействия зарядов и единица электрического заряда 1 Кулон. Закон в современной трактовке звучит следующим образом: между двумя точечными зарядами q₁ и q₂, расположенными на расстоянии r возникает сила F, направленная вдоль прямой линии соединяющей заряды и имеющая величину

, (1)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды (безразмерная величина),

ε₀ = (1/36 π) 10^-9 = 8.854 10^-12 Ф/м– электрическая постоянная, которая является фундаментальной физической константой, в свою очередь связанную с другими константами: магнитной постоянной μ₀ = 4π 10^-6 Гн/м =1.257 10^-6 и скоростью света в вакууме с = 3 10⁸ м/с соотношением:

.

Размерность силы в системе СИ 1 Н (Ньютон), длины 1 м.

На основе закона Кулона было введено понятие напряженности электрического поля Е, как силы, действующей в электрическом поле на единичный заряд, т.е. заряд величиной 1 К

. (2)

Напряженность электрического поля Е векторная величина. Ее размерность 1 В/м. Электрическое поле удобно представлять на графиках силовыми линиями, выходящими на положительных зарядах и заканчивающихся на отрицательных зарядов. Их направление показывает направление приложения электрической силы к точечному положительному заряду. Величина напряженности электрического поля Е в определенной точке электрического поля пропорциональна плотности силовых линий в этой точке. Отметим, что напряженность электрического поля в точке зависит от свойств среды, т.е от относительной диэлектрической проницаемости ε.

Рис.1

Для электрического поля, создаваемого многими зарядами, справедлив принцип суперпозиций, который выражается в том, что напряженность в данной точке электрического поля определяется векторной суммой напряженностей, создаваемых отдельными зарядами. Для напряженности электрического поля, создаваемого n точечными зарядами, в некоторой точке, расположенной на известных расстояниях от всех зарядов справедливо

. (3)

Рис.2

Помимо напряженности электрического поля вводится также вектор D – электрического смещения или электрической индукции, который для единичного заряда определяется следующим образом

(4)

Между величинами E (2) и D (4) существует много общего и для большинства сред они отличаются только масштабным коэффициентом εε₀. Величина вектора D определяется только свободными зарядами, создающими электрическое поле, а на величину и направление вектора Е влияет электрическое поле связанных зарядов диэлектрической среды, в которой расположены свободные заряды. В большинстве случаев однородных диэлектриков (изотропные среды) величина ε представляет собой постоянную величину и направления векторов Е и D совпадают. Однако существуют неоднородные (анизотропные среды) в которых диэлектрическая проницаемость зависит от ориентации вектора D и величина ε может быть представлена тензором. Мы такие среды не рассматриваем.