Напряженность электрического поля

Известно, что действие наэлектризованных тел передается через пространство. Для осуществления взаимодействия между покоящимися электрическими зарядами необходимо наличие материальной среды между ними. Взаимодействие зарядов осуществляется не только в веществе, но и в вакууме, причем в вакууме сильнее, чем в веществе. Это означает, что передатчиком взаимодействия является не вещество, а другой вид материи - поле.

Электрическое поле - это особый вид материи, который существует вокруг электрических зарядов и действует на другие электрические заряды. Материальность электрического поля проявляется в его действии на помещенные в поле заряды. Как всякая материя, электрическое поле обладает энергией.

Следует иметь в виду, что важнейшее понятие электростатики - электрический заряд - не является однозначным. Во-первых, электрический заряд - это особое свойство некоторых элементарных частиц, характеризующее их способность к электромагнитному взаимодействию. Во-вторых, под электрическим зарядом понимают наэлектризованное физическое тело. Именно это подразумевается, когда говорят о взаимодействии электрических зарядов (заряженных тел). Значение электрических зарядов всех элементарных частиц (если оно не равно нулю) одинаково по модулю и называется элементарным электрическим зарядом. Он равен Кл. Положительным элементарным зарядом обладает протон, отрицательным - электрон. Если каким-либо способом нарушить соотношение числа электронов и протонов, то тело приобретает избыточный электрический заряд - электризуется. Такое наэлектризованное тело для краткости называют электрическим зарядом. Обобщая сказанное, сформулируем определение электрического заряда.

Электрический заряд – это внутреннее свойство тел или частиц, характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействиям.

Единица электрического заряда – кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока один ампер за одну секунду.

Выделим фундаментальные свойства электрического заряда, установленные опытным путем:

- существует два вида электрического заряда: положительный и отрицательный.Заряды одного знака отталкиваются, противоположные - притягиваются;

- электрический заряд инвариантен- его значение не зависит от системы отсчета, т. е. от того, движется он или покоится;

- электрический заряд дискретен- заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда ;

- электрический заряд аддитивен- заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в эту систему;

- электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов изолированной системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри данной системы;

- в электростатике используется физическая модель - точечный электрический заряд - заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче. Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна зарядам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

, (22.1)

где Ф/м - электрическая постоянная, а - диэлектрическая проницаемость среды – безразмернаявеличина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия в вакууме.

Эта закономерность была установлена Ш. Кулоном и называется законом Кулона.

Для исследования электрического поля используют точечный пробный положительный заряд такого значения, чтобы он не искажал своим действием исследуемое поле. Помещая пробный заряд в разные точки поля, можно определить значение и направление действующей на него силы и ввести силовую характеристику электрического поля - напряженность электрического поля . Она определяется выражением

, (22.2)

или в скалярной форме выражением

. (22.3)

Напряженность поля численно равна силе, действующей на заряд в один кулон, помещенный в данную точку поля. По значению и направлению вектора можно определить силу, действующую на заряд q в данной точке поля:

. (22.4)

Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.

Единицей напряженности является вольт на метр (1 В/м = 1 Н/Кл).

Напряженность поля в точке нахождения заряда согласно (22.3) равна

. (22.6)

В векторной форме выражение для напряженности поля точечного заряда записывается следующим образом:

, (22.7)

где - вектор, направленный от заряда, создающего поле, в данную точку; r - длина этого вектора; Ф/м - электрическая постоянная; - диэлектрическая проницаемость среды; отношение представляет собой единичный вектор, умножение на который не меняет числовое значение величины, а придает ей векторный смысл.

Если поле создается положительным зарядом, то вектор напряженности направлен вдоль радиуса-вектора от заряда. Если поле создается отрицательным зарядом, то вектор направлен к этому заряду.