Электростатическое поле: напряженность электростатического поля

Согласно представлениям современной физики, поле реально существует и наряду с веществом является одной из форм существования материи, посредством которого осуществляются определенные взаимодействия между макроскопическими телами или частицами, входящими в состав вещества. В данном случае говорят об электрическом поле – поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Мы будем рассматривать электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами и называются электростатическими.

Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля использует пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле (не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле). Если в поле, создаваемое зарядом q, поместить пробный заряд q₀, то на него действует сила F различная в разных точках поля, которая, согласно закону Кулона, пропорциональна пробному заряду q₀. Поэтому отношение F/q₀ не зависит от q₀ и характеризу­ет электростатическое поле в той точке, где пробный заряд находится. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатичес­кого поля.

Напряженность электростатического поля в данной точке – это физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный единичный положительный заряд помещенный в эту точку поля:

(1.2.1)

Как следует из формул (1.2.1) и (1.1.1), напряженность поля, создаваемого точечным зарядом q в вакууме на расстоянии r от него

. (1.2.2)

В векторной форме выражение (1.2.2) имеет вид

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор напряженности направлен вдоль радиус-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор напряженности направлен к заряду (рис. 1.2.1).

Рис.1.2.1

Из формулы (1.2.1) следует, что единица напряженности электростатического поля – ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н; 1 Н/Кл = 1 В/м, где В (вольт) — единица потенциала электростатического поля.

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора E (рис. 1.2.2).

Рис. 1.2.2

Линиям напряженности приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Так как в каждой данной точке пространства вектор напряженнocти имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекутся.

Чтобы с помощью линий напряженности можно было характеризовать не только направление, но и значение напряженности электростатического поля, условились проводить их с определенной густотой (рис. 1.2.3): число линий напряженности, пронизывающих единицу площади поверхности, перпендикулярную линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора напряженности.

Рис. 1.2.3

Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен по величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности. В местах, где напряженность поля меньше, линии напряженности проходят реже. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности — радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицателен (рис. 1.2.4).

Рис.1.2.4

Число линий напряженности на любом расстоянии от заряда будет одним и тем же, т. е. линии напряженности нигде кроме зарядов не начинаются и не заканчиваются.

На рис. 1.2.5 изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и –q, расположенных на некотором расстоянии l.

Рис.1.2.5

Вследствие большой наглядности графический способ представления электростатического поля широко применяется в электротехнике.

Для вектора напряженности электростатического поля справедлив принцип суперпозиции (наложения) электростатических полей, согласно которому напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.

Принцип суперпозиции позволяет рассчитать электростатические поля любой системы неподвижных зарядов, поскольку если заряды не точечные, то их можно всегда свести к совокупности точечных зарядов.