Характеристики электрического поля

Тема 2 Электрическое поле и его характеристики

Электрическое поле

Взаимодействие зарядов по закону Кулона является экспериментально установленным фактом. Однако математическое выражение закона взаимодействия зарядов не раскрывает физической картины самого процесса взаимодействия, не отвечает на вопрос, каким путем осуществляется действие заряда q 1 на заряд q 2.
Возможный ответ на этот вопрос давала теория дальнодействия, которая утверждала, что электрические заряды обладают способностью мгновенно действовать друг на друга на расстоянии.

Теория близкодействия, созданная на основе работ английского физика Майкла Фарадея (1791—1867), объясняет взаимодействие электрических зарядов тем, что вокруг каждого электрического заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда — материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды.

Согласно представлениям теории близкодействия, взаимодействие электрических зарядов q 1 и q 2 есть результат действия поля заряда q 1 на заряд q 2 и поля заряда q 2 на заряд q 1.

Количественное выражение электростатического взаимодействия в теории дальнодействия и в теории близкодействия имеет один и тот же вид (закон Кулона). Поэтому на основе изучения законов электростатики нельзя сделать обоснованный выбор между этими двумя теориями.

Решительный поворот к представлениям близкодействия был начат английским ученым Майклом Фарадеем и завершен окончательно Максвеллом.

При изучении электрического поля мы сталкиваемся с особым видом материи, движение которой не подчиняется законам механики Ньютона. С открытием электрического поля впервые за всю историю науки появилась глубокая идея: существуют различные виды материи и каждому из них присущи свои законы.

Главное свойство электрического поля – действие его на неподвижные электрические заряды с некоторой силой. По действию на заряд устанавливают существование поля, распределение его в пространстве, изучают все его характеристики.

Таким образом, электрическое поле – это особый вид материи, передающий воздействие одного неподвижного электрического заряда на другой в соответствии с законом Кулона. Электрическое поле образуется только вокруг неподвижного электрического заряда.

Характеристики электрического поля

Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на заряд. Можно утверждать, что мы знаем о поле все, что нам нужно, если будем знать силу, действующую на любой заряд в любой точке поля.

Поэтому надо ввести такую характеристику поля, знание которой позволит определить эту силу.

Пусть в какой-либо точке пространства находится точечный электрический заряд q. Тогда в каждой точке окружающей среды на пробный заряд будет действовать сила
Кулона. Поэтому поле вокруг заряда называют силовым. Силы, действующие на один и тот же заряд в различных точках электрического поля, отличаются величиной и направлением. Поэтому целесообразно ввести специальную характеристику любой точки электрического поля, которая бы показывала силу, с которой это поле действует на заряд, т.е. силовую характеристику.

Из закона Кулона следует, что сила, действующая на заряд в поле прямо пропорциональна величине этого заряда.

Т.е. .

Для того, чтобы поставить знак «=» в этом выражении, нужно ввести некоторый коэффициент пропорциональности. Этот коэффициент пропорциональности и будет являться силовой характеристикой электрического поля и называется он напряженностью поля.

Таким образом, напряженность электрического поля – это силовая характеристика поля, показывающая силу, с которой поле действует на электрический заряд.

.

Напряженность – векторная физическая величина и направление ее совпадает с направлением силы Кулона. Единицей измерения напряженности электрического поля является .

Напряженность электрического поля определяется величиной и расположением зарядов, создающих поле, и для каждой точки поля может быть рассчитана теоретически.

Найдем напряженность поля, создаваемого точечным зарядом q₀. По закону Кулона этот заряд будет действовать на другой заряд с силой: .

Тогда, модуль напряженности поля точечного заряда q₀ на расстоянии r от него равен:

.

Вектор напряженности в любой точке электрического поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.

Рассмотрим электрическое поле заряженного проводящего шара радиусом R. Заряд q равномерно распределен по поверхности шара.

Тогда на расстоянии от центра шара напряженность поля определяется также как и для точечного заряда. Внутри же проводящего шара (r<R) напряженность поля равна нулю.

Если электрическое поле способно перемещать заряды в пространстве за счет действия силы Кулона, то оно может совершать работу. А способность совершать работу говорит о том, что поле обладает какой-то энергией. Следовательно, у электрического поля должна быть еще одна характеристика – энергетическая.

По аналогии с силовой характеристикой поля – напряженностью, энергетическая характеристика должна показывать энергию электрического поля, приходящуюся на один заряд.

Т.е. энергия поля должна быть пропорциональна электрическому заряду.

Тогда нужен коэффициент пропорциональности, который бы характеризовал эту энергию.

Такой коэффициент существует и называется потенциалом поля. Потенциал поля показывает, какая часть всей энергии поля приходится на один электрический заряд:

.

Потенциал электрического поля – это скалярная физическая величина. Единицей измерения потенциала является 1 Вольт (1В).

---

Дата добавления: 2015-12-07