Электрическое поле. Закон Кулона предстанет в совершенно ином свете, если ввести понятие электрического поля

Закон Кулона предстанет в совершенно ином свете, если ввести понятие электрического поля. Зафиксируем в пространстве заряд q1. Для простоты можно считать, что он расположен в начале координат, а радиус-вектор точки, где расположен второй, так называемый пробный заряд q2, обозначить через r→ (без индекса).

Рис. 1.2: К определению понятия электрического поля

Если теперь в законе Кулона (1.1) вынести величину пробного заряда в буквальном смысле за скобки, F→12 = q2 q1 r2 r→ r ≡ q2 E→1(r→), (3.1)

то выяснится, что нечто, оставшееся в скобках, можно измерить в простом опыте, если заранее знать величину пробного заряда q2. Для этого достаточно измерить направление и величину силы, действующей на пробный заряд. Перемещая пробный заряд, измерения можно выполнить, по крайней мере мысленно, во всех точках пространства. Таким образом, нечто, обозначенное выше через E1(r→), является тем, что в математике принято называть векторным полем. В данном случае это электрическое поле. Существенно, что оно не зависит от пробного заряда. Можно сказать, что заряд q1 создает в окружающем пространстве электрическое поле независимо от того, имеется ли ещё какой-либо заряд, в том числе пробный, или его нет. Электрическое поле может быть создано зарядом другой величины, расположенным в другом месте, или даже несколькими зарядами одновременно. Если оно известно, то известна и сила, действующая на пробный заряд. По сути дела, определением электрического поля является равенство F→ = q E→, (3.2)

где q — величина пробного заряда, а F→ — сила, действующая на него в точке r→. Из закона Кулона следует, что электрическое поле точечного заряда q на расстоянии r→ от него равно E→(r→) = q r2 r→ r. (3.3)

В зависимости от постановки задачи один и тот же заряд q можно рассматривать в качестве источника поля (3.3) или в качестве инструмента измерения поля других зарядов, как следует из (3.2). Вектор E→ называют вектором напряженности электрического поля, или просто электрическим полем. Абсолютное значение E = ∣E→∣ вектора E→ называют напряженностью электрического поля.

Формулировка закона Кулона в виде (1.1) соответствует так называемой концепции дальнодействия. Согласно ей, взаимодействие зарядов, находящихся на расстоянии друг от друга, осуществляется без промежуточной субстанции, которую в прошлом отождествляли с мировым эфиром. Представление закона Кулона в виде (3.3) соответствует концепции близкодействия, когда силовое воздействие на заряд способны оказывать только упругие напряжения мирового эфира. Концепция близкодействия более адекватна современной трактовке взаимодействия частиц посредством переноса квантов поля, но в целом представления о мировом эфире безнадежно устарели.

В рамках электростатики электрическое поле остается не более чем формальным, математическим понятием. Исследуя только статические явления, невозможно сделать однозначный выбор между концепциями дально- и близкодействия. Только электродинамика, доказывающая существование электромагнитных волн, делает электрическое поле физической реальностью. Понять это утверждение можно хотя бы на примере упоминавшейся уже реакции аннигиляции электрон-позитронной пары:

e−e+ → 2γ .

В результате аннигиляции исчезают заряженные частицы — источники электрического поля, но зато возникает свободное электромагнитное поле в виде двух гамма-квантов.