Теоретичні відомості. Електричні поля, які не змінюються з часом і створюються нерухомими зарядами, називають електростатичними

Електричні поля, які не змінюються з часом і створюються нерухомими зарядами, називають електростатичними.

Основними характеристиками електростатичного поля в даній точці є векторна величина - напруженість і скалярна величина - потенціал.

Електричне поле проявляє себе в тому, що на поміщений в будь-яку його точку електричний заряд діє сила. По величині цієї сили можна оцінювати інтенсивність поля. Для того, щоб сила, що діє на пробний заряд характеризувала поле в «даній точці» цей заряд повинен бути точковим. Відношення сили, що діє на пробний заряд до величини пробного заряду є силовою характеристикою електричного поля і називається напруженістю поля. Напрям вектора співпадає з напрямом сили, що діє на позитивний пробний заряд, поміщений в дану точку простору. Напруженість поля точкового заряду можна розрахувати як (1), де - радіус-вектор точки спостереження. Електричне поле можна задати, визначивши для кожної точки величину і напрям вектора . Сукупність цих векторів утворює поле вектора напруженості . Це поле у графічному вигляді зручно представляти за допомогою ліній напруженості. Вони проводяться таким чином, щоб дотична до лінії в кожній точці співпадала з напрямом вектора . Густина ліній обирається так, щоб кількість ліній, що пронизують одиницю поверхні площадки, перпендикулярної лініям, була рівна модулю вектора . За допомогою силових ліній одержують карти поля, які наглядно показують, як змінюється напруженість електростатичного поля в просторі.

Заряд, внесений в електричне поле, взаємодіє з полем. Потенціальна енергія взаємодії залежить від пробного заряду і від енергетичної характеристики поля в даній точці - потенціалу (скалярна величина). Він чисельно рівний потенціальній енергії, яку має в даній точці поля одиничний позитивний заряд. Потенціал поля точкового заряду можна розрахувати за виразом (2).

Для наглядного зображення поля замість ліній напруженості можна використати поверхні рівного потенціалу або еквіпотенціальні поверхні. Напруженість поля пов’язана з потенціалом наступним співвідношенням (3), де похідна береться по нормалі до еквіпотенціальної поверхні, тобто в напрямі найбільш швидкої зміни потенціалу. Напрям нормалі до еквіпотенціальної поверхні буде співпадати з напрямом вектора в тій же точці. Лінії напруженості ортогональні (перпендикулярні) до еквіпотенціальних поверхонь. Як правило, електричне поле графічно зображають так, щоб при переході від однієї еквіпотенціальної поверхні до другої приріст потенціалу однаковий. При цьому в місцях, де поверхні підходять найближче одна до одної, напруженість поля максимальна.

Вивчення електростатичного поля замінюється дослідженням стаціонарного електричного поля постійного струму між електродами в однорідному середовищі за допомогою зонда. Електропровідність середовища набагато менша, ніж електропровідність металевих електродів. Потенціали останніх підтримуються сталими. У цьому полягає суть методу модельних експериментів. Розподіл поля в електролітичній ванні з достатньою точністю відтворює розподіл поля в непровідному середовищі. У той же час вимірювання поля в провідному середовищі набагато простіше, ніж в непровідному. Для того, щоб зонд, за допомогою якого досліджують поле, не змінював поле, його роблять тонким.