Электростатическое поле

Взаимодействие между покоящимися электрическими зарядами осуществляется через особую форму материи, называемую электростатическим полем. Покоящийся заряд создает в пространстве электростатическое поле, проявляющее себя в силовом действии на любой электрический заряд, помещенный в какую-либо его точку. Опыт показывает, что отношение силы , действующей на точечный заряд q, помещенный в данную точку электростатического поля, к величине этого заряда для всех зарядов оказывается одинаковым. Это отношение называется напряженностью электрического поляи является его силовой характеристикой:

Электрическое поле можно описать с помощью силовых линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора Силовые линии электростатического поля разомкнуты.

Заряды, помещенные в электростатическое поле, обладают потенциальной энергией. Отношение потенциальной энергии W положительного точечного заряда q, помещенного в данную точку поля, к величине этого заряда является энергетической характеристикой электростатического поля и называется потенциалом:

φ = W/q

Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля, как и в случае поля тяготения, используют эквипотенциальные поверхности.

Опытным путем установлено, что для электростатического поля справедлив принцип суперпозиции: электростатическое поле порождаемое несколькими зарядами, равно векторной сумме электростатических полей , порождаемых каждым зарядом в отдельности:

.

По электрическим свойствам все вещества подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики (изоляторы). Вещества, проводящие электрический ток, называются проводниками. Диэлектриками называются вещества, не способные проводить электрический ток.

Опыт показывает, что электрическое поле внутри проводника (например, металла) всегда равно нулю.

Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется и электрическое поле внутри его становится меньше внешнего. Диэлектрической проницаемостьюдиэлектрика ε называется безразмерная величина, показывающая во сколько раз напряженность электрического поля в диэлектрике Е меньше, чем напряженность электрического поля в

вакууме Е₀:

ε = Е₀/Е

2 Магнитное поле

Опыт показывает, что в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током и постоянные магниты.

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого свободно устанавливается ось тонкой магнитной стрелки в направлении с юга на север или положительная нормаль к плоскому контуру с током.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Магнитная индукция в данной точке численно равна максимальному вращающему моменту, действующему на плоскую рамку с током с магнитным моментом 1 А×м²:

B=M_max./p_m.

Магнитное поле изображают с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции . Силовые линии магнитного поля замкнуты.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т.е. являются магнетиками. В любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи называются микротоками, в отличие от макротоков, текущих в проводниках. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. В зависимости от поведения в магнитном поле все вещества делятся на диа-, пара- и ферромагнетики.

Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. Атомы диамагнетиков не имеют собственных магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле электронные орбиты совершают прецессионное движение вокруг направления внешнего магнитного поля, что эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то согласно правилу Ленца, он создает магнитное поле, направленное против внешнего. Такие наведенные поля атомов складываются и создают собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками. У парамагнетиков атомы имеют собственные магнитные моменты. Магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль магнитного поля. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее, поэтому остается незаметным.

Существуют еще сильномагнитные вещества, называемые ферромагнетиками. Намагниченность ферромагнетиков в огромное число раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков. Важной особенностью ферромагнетиков является существование гистерезиса и остаточной намагниченности (в отсутствии внешнего магнитного поля), что делает возможным изготовление постоянных магнитов. Основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом (1928).