ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы:

1. Изучить теоретический материал по темам: электрическое поле в вакууме, напряженность и потенциал поля, связь между ними, электрическое поле в веществе.

2. Экспериментально исследовать электростатическое поле и описать его с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Теоретическое введение.

Электростатика – наука о поведении электрических зарядов и электрических полей, образованных этими неподвижными зарядами. Электрическим зарядом называется физическая величина, характеризующая взаимодействие тел, обладающих этой характеристикой. Наличие электрического заряда проявляется в том, что заряженная частица (тело) взаимодействует с другой заряженной частицей (телом). Различают два вида заряда условно названные "положительными" и "отрицательными". При этом одноименно заряженные тела отталкиваются, разноименно заряженные – притягиваются. Заряд наэлектризованной стеклянной палочки - положительный, янтарной – отрицательный. Электрический заряд – неотъемлемое свойство элементарных частиц. Причем электрический заряд элементарных частиц (если он не равен нулю) одинаков по абсолютной величине. Он носит название элементарного заряда. Обозначается элементарный заряд – е+, е^–. Из элементарных частиц построены атомы и молекулы. Обычно число положительных зарядов в теле равно числу отрицательных и распределены они с приблизительно равной плотностью. Тогда алгебраическая сумма зарядов равна нулю, а тело является незаряженным. Если создать избыток, какого либо заряда, то тело будет заряженным, и знак заряда будет тот же что и у избыточного заряда. Поскольку заряд любого тела состоит из совокупности избыточного заряда элементарных частиц, то всякий заряд величина дискретная кратная элементарному заряду: q = ± Ne где N – целое число (принцип квантования).

Величина заряда в различных инерциальных системах отсчета одинакова. Электрический заряд релятивистски инвариантен, т.е. его величина не зависит, от того движется он или покоится. Суммарный заряд электрически изолированной системы неизменен – закон сохранения электрического заряда.

Закон взаимодействия заряженных тел установлен экспериментально и носит название закона Кулона. Формулируют его следующим образом.

Два точечных электрических заряда взаимодействуют между собой в вакууме с силой прямо пропорциональной величине каждого из зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц,

В системе СИ , где - электрическая постоянная.

Под точечным зарядом понимают заряженное тело размерами которого, можно пренебречь в условиях данной задачи.

По современным представлениям взаимодействие между зарядами передается через силовое поле, источником которого является каждый из зарядов. Его называют электрическим полем. Если заряды неподвижны, то создаваемое ими поле называется электростатическим.

На заряды, находящиеся в электрическом поле действует сила со стороны этого поля. Если в некоторую точка электростатического поля, создаваемого неподвижным точечным зарядом q (электростатическое поле) поместить некоторый заряд q_П, называемый пробным, то о существовании этого поля судят по силе, действующей на заряд q_П. Согласно закону Кулона она пропорциональна q_П, отношение же этой силы к заряду q_П от его величины не зависит и может быть выбрана в качестве характеристики электрического поля в данной точке. Эту величину называют напряженностью электрического поля .

. (2)

Так как сила вектор, то и напряженность также векторная величина. Это силовая характеристика электрического поля. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд в данной точке поля.

Из закона Кулона и определения (2) следует, что напряженность поля точечного заряда q на расстоянии r от него будет находиться по формуле

.

Так как в качестве q_П можно выбрать любой заряд q, то из формулы (2) следует, что сила, действующая на заряд q в точке поля с напряженностью будет равна

. (3)

Для электрических полей справедлив принцип суперпозиции. Если имеется система точечных зарядов, то их поля складываются, не оказывая влияния друг на друга. Напряженность поля системы точечных зарядов в рассматриваемой точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаемых каждым из зарядов в отдельности в этой точке.

Графически электростатическое поле можно представить в виде линий напряженности (силовых линий). Эти линии проводят так, чтобы касательная к ним в любой точке линии совпадала по направлению с вектором . Густота линий выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единицу поверхности, перпендикулярной к линиям площадки было равно числовому значению вектора .

Силовые линии начинаются на положительном заряде и уходят в бесконечность, или, начавшись в бесконечности, заканчиваются на отрицательном заряде (свойство непрерывности силовых линий).