Електричне поле. По сучасних уявленнях, електричні заряди не діють один на одного безпосередньо

По сучасних уявленнях, електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожне заряджене тіло створює в навколишньому просторі електричне поле. Це поле надає силова дія на інші заряджені тіла. Головна властивість електричного поля – дія на електричні заряди з деякою силою. Таким чином, взаємодія заряджених тіл здійснюється не безпосередньою їх дією один на одного, а через електричні поля, навколишні заряджені тіла.

Електричне поле, навколишнє заряджене тіло, можна досліджувати за допомогою так званого пробного заряду – невеликого по величині точкового заряду, який не проводить помітного перерозподілу досліджуваних зарядів.

Для кількісного визначення електричного поля вводиться силова характеристика напруженість електричного поля.

Напруженістю електричного поля називають фізичну величину, рівну відношенню сили, з якою поле діє на позитивний пробний заряд, поміщений в дану точку простору, до величини цього заряду:

Напруженість електричного поля – векторна фізична величина. Напрям вектора в кожній точці простору співпадає з напрямом сили, що діє на позитивний пробний заряд.

Електричне поле нерухомих і не змінних з часом зарядів називається електростатичним. У багатьох випадках скорочено це поле позначають загальним терміном – електричне поле

Якщо за допомогою пробного заряду досліджується електричне поле, що створюється декількома зарядженими тілами, то результуюча сила виявляється рівній геометричній сумі сил, що діють на пробний заряд з боку кожного зарядженого тіла окремо. Отже, напруженість електричного поля, що створюється системою зарядів в даній точці простору, рівна векторній сумі напряженностей електричних полів, що створюються в тій же крапці зарядами окремо:

Це властивість електричного поля означає, що поле підкоряється принципу суперпозиції.

Відповідно до закону Кулона напруженість електростатичного поля, що створюється точковим зарядом q на відстані r від нього, рівна по модулю

Це поле називається кулонівським. У кулонівському полі напрям вектора залежить від знаку заряду q якщо q > 0, то вектор направлений по радіусу від заряду, якщо q < 0, то вектор направлений до заряду.

Для наочного зображення електричного поля використовують силові лінії. Ці лінії проводять так, щоб напрям вектора в кожній крапці співпадав з напрямом дотичній до силової лінії (мал. 1). При зображенні електричного поля за допомогою силових ліній, їх густина повинна бути пропорційна модулю вектора напруженості поля.

Малюнок 1. Силові лінії електричного поля

Силові лінії кулонівських полів позитивних і негативних точкових зарядів зображені на мал. 2. Оскільки електростатичне поле, що створюється будь-якою системою зарядів, може бути представлене у вигляді суперпозиції кулонівських полів точкових зарядів, зображені на мал. 2 полів можна розглядати як елементарні структурні одиниці («цегла») будь-якого електростатичного поля.

Малюнок 2. Силові лінії кулонівських полів

Кулонівське поле точкового заряду Q зручно записати у векторній формі. Для цього потрібно провести радіус-вектор від заряду Q до точки спостереження. Тоді при Q > 0 вектор паралельний а при Q < 0 вектор антипараллелен Отже, можна записати:

де r – модуль радіус-вектора .

Як приклад застосування принципу суперпозиції полів на мал. 3. зображена картина силових ліній поля електричного диполя – системи з двох однакових по модулю зарядів різного знаку q і – q, розташованих на деякій відстані l.

Малюнок 3. Силові лінії поля електричного диполя _

Важливою характеристикою електричного диполя є так званий дипольний момент

де – вектор, направлений від негативного заряду до позитивного, модуль Диполь може служити електричною моделлю багатьох молекул.

Електричним дипольним моментом володіє, наприклад, нейтральна молекула води (H₂O), оскільки центри двох атомів водню розташовуються не на одній прямій з центром атома кисню, а під кутом 105° (мал. 4). Дипольний момент молекули води p = 6,2·10^–30 Кл · м.

Малюнок 4. Дипольний момент молекули води

У багатьох завданнях електростатики потрібно визначити електричне поле по заданому розподілу зарядів. Хай, наприклад, потрібно знайти електричне поле довгої однорідно зарядженої нитки (мал. 5) на відстані R від неї.

Малюнок 5. Електричне поле зарядженої нитки

 

Поле в точці спостереження P може бути представлене у вигляді суперпозиції кулонівських полів, що створюються малими елементами ∆x нитки, із зарядом τ∆x, де τ заряд нитки на одиницю довжини. Завдання зводиться до підсумовування (інтеграції) елементарних полів Результуюче поле виявляється рівним

Вектор скрізь направлений по радіусу Це витікає з симетрії завдання. Вже цей простий приклад показує, що прямий шлях визначення поля по заданому розподілу зарядів приводить до громіздких математичних викладень. У ряді випадків можна значно спростити розрахунки, якщо скористатися, яка виражає фундаментальну властивість електричного поля.