рисунок изображающий поле положительного точечного заряда
Напряженность электрического поля и его графическое изображение
На единичный положительный заряд, помещенный в любую точку электрического поля, будет действовать некоторая сила.
Определение: Сила, действующая на единичный неподвижный положительный заряд в данной точке поля, называется напряженностью электрического поля.
Измеряется напряженность поля в вольтах на метр (в/м).
Если в данной точке поля находится заряд q и поле действует на него с силой F, то напряженность поля Е можно определить по формуле
Если в данной точке поля находится единичный заряд (т. е. q=1), то E = F. Это соответствует данному выше определению напряженности электрического поля.
Пример. В электрическом поле находится заряд q = 0,004 кулона. На заряд действует сила F = 4 ньютонам. Определить напряженность электрического поля.
Решение.
Кулон — заряд, переносимый через поперечное сечение проводника в одну секунду при неизменяющейся силе тока, равной одному амперу.
Следует подчеркнуть разницу между понятиями «напряженность электрического поля» и «напряжение». Напряженность характеризует поле в данной точке через величину силы, действующей на единичный положительный заряд, находящийся в этой точке. Напряжение — это разность потенциалов между двумя точками электрического поля, или работа, совершаемая силами поля при переносе единичного положительного заряда из одной точки поля в другую.
ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
Мы уже знаем, что вокруг электрического заряда существует электрическое поле, проявляющееся, в частности, в том, что на пробный заряд, внесенный в это поле, действует механическая сила. Кроме того, нужно обратить внимание и еще на одно очень важное обстоятельство: пробный заряд под действием электрического поля всегда перемещается в определенном направлении. Например, если поле создано положительно заряженным шаром, то пробный положительный заряд отталкивается от шара и перемещается в направлении радиуса шара. Если бы шар был заряжен отрицательно, то пробный положительный заряд притягивался бы к шару, но опять перемещался бы в направлении радиуса.
В поле, созданном несколькими зарядами, перемещение пробного заряда происходило бы по более сложной траектории.
Перемещение пробного заряда q в электрическом поле происходит под действием силы поля (F). В электрическом поле можно провести линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением силы F, действующей па пробный заряд. Такие линии называются электрическими силовыми линиями (рис. 1).
Рисунок 1. Электрическая силовая линия.
Электрические силовые линии позволяют характеризовать электрическое поле. Ими пользуются при объяснении многих электрических явлений.
Следует твердо помнить об условности понятия «электрическая силовая линия». Это не что иное, как графическое изображение реально существующего электрического поля. Пользуясь таким условным изображением, можно наглядно и просто охарактеризовать направление движения зарядов в поле, уяснить характер взаимодействия заряженных тел и т. д.
В дальнейшем мы будем неоднократно использовать термин «электрические силовые линии», не оговаривая каждый раз его условность.
Для ряда простых случаев графическое построение электрического поля не вызывает затруднений. Нужно только помнить следующее:
— силовые линии направлены от положительных зарядов к отрицательным (направление движения пробного положительного заряда);
— силовые линии начинаются на положительном заряде и кончаются на отрицательном;
— силовые линии должны быть направлены всегда перпендикулярно поверхности заряженного тела.
На рис. 2 и 3 показаны примеры графического изображения электрических полей. Направление силовых линий обозначается стрелками.
Рисунок 2. Силовые линии электрического поля, образованные точечным зарядам: слева-положительным, справа-отрицательным.
Рисунок 3. Силовые линии электрического поля, образованные двумя зарядам: слева-двумя разноименными, справа-двумя одноименными.
Следует запомнить, что положительный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Наоборот, отрицательный заряд, внесенный в электрическое поле, будет перемещаться от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Рисунок изображающий поле положительного точечного заряда
Опытным путём установлен закон Кулона:
сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме пропорциональна произведению модулей зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, проходящей через эти заряды:
Обратите внимание, что нарушение в конкретных условиях опыта точечности зарядов, их неподвижности или нахождение зарядов не в вакууме может привести к невыполнению соотношения (2.1).
Основной единицей в любой системе единиц называется единица, для которой существует установленная по договорённости принципиальная возможность создания эталона этой единицы. Напомним, что основными единицами системы СИ являются единицы длины метр (м), массы килограмм (кг), времени секунда (с), силы электрического тока ампер (А), термодинамической температуры кельвин (К), количества вещества моль (моль), силы света кандела (кд). Остальные единицы в системе СИ производные, их размерность (выраженная через основные или другие единицы системы) даётся через определения и физические законы, устанавливающие связь между различными физическими величинами. Единицей заряда в системе СИ является кулон (Кл) – заряд, проходящий за `1` с через поперечное сечение проводника при силе тока `1` А.
Запоминать выражение для размерности `k` необязательно, но уметь выводить, используя (2.1), надо.
Приведём значение коэффициента `k` в (2.1) для системы СИ:
 |  |
| Рис. 2.1 | Рис. 2.2 |
На рисунках 2.1 и 2.2 показаны случаи для `Q > 0` и `Q
Формулу (2.2) можно обобщить, избавившись от знака модуля:
Силовой линией (линией напряжённости) электрического поля называется непрерывная линия, касательная в каждой точке которой совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля в этой точке. Наглядно электрические поля изображают с помощью силовых линий.
На рис. 2.3 приведена картина силовых линий электрического поля положительного точечного заряда.
 |
| Рис. 2.3 |
Стрелкой на каждой силовой линии указывается её направление, т. е. направление вектора напряжённости в каждой точке силовой линии. Полезно посмотреть и нарисовать самим картины силовых линий полей из школьного учебника.
Все свойства силовых линий как электрического поля, так и электростатического поля, следуют из определения силовых линий и из законов электродинамики. Приведём некоторые свойства.
1. Силовые линии электрического поля не пересекаются. В противном случае в точках пересечения была бы неопределённость в направлении напряжённости поля.
2. Густота силовых линий электрического поля в пространстве пропорциональна напряжённости электрического поля.
3. Силовые линии электростатического поля не замкнуты. Они начинаются на положительных зарядах (или в бесконечности) и заканчиваются на отрицательных зарядах (или в бесконечности). При этом некоторая группа силовых линий (лучевая трубка) связывает равные по модулю заряды и число силовых линий, выходящих (входящих) из заряженного тела, не зависит от формы тела, а зависит только от величины заряда (пропорционально заряду).
Обратите внимание, что первые два свойства справедливы и для электростатического поля, как частного случая электрического. Третье же свойство справедливо только для электростатического поля, а для произвольного электрического поля выполняется не всегда.
 |
| Рис. 2.4 |
Силовые линии электрического поля
Силовые линии электрического поля это такие линии, в каждой точке которых касательная совпадает с вектором напряжённости поля.
Для описания электрического поля обычно задают вектор напряжённости для каждой точки поля. Эту процедуру можно провести как аналитическим способом, то есть конкретными цифрами или уравнением так и графически.
В графическом способе поле характеризуется силовыми линиями. У этих линий есть как начало, так и конец. Также одним из свойств этих линий является направление. Принято считать, что силовые линии начинаются на положительном заряде и стремятся к отрицательному. В случае если отрицательного заряда нет поблизости, то считается, что линии начинаются на положительном заряде и заканчиваются на бесконечности. И наоборот если нет поблизости положительного заряда, а есть отрицательный, то линии начинаются на бесконечности и заканчиваются на заряде.
Если форма линии характеризует направление поля в каждой точке, то густота линий обозначает величину напряжённости поля в данном месте. Чем больше линий будет проходить через некую область, которая должна расположатся перпендикулярно полю, тем больше будет напряжённость в данной области.
Поле, у которого силовые линии располагаются параллельно друг друга на одинаковом расстоянии, называется однородным. У такого поля в каждой его точке напряжённость одинакова по величине и направлению. Пример такого поле это поле, создаваемое между обкладками плоского конденсатора.
Когда поле создано точечным зарядом для определенности положительным, то силовые линии исходят из цента заряда и уходят на бесконечность. Количество линий остается постоянным, а поверхность, которую они пронизывают, увеличивается с отдалением от самого заряда. Представите круги на воде те, что ближе к центру те небольшого диаметра, а те, что дальше те большего.
Электрическое поле
По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.
Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика — напряженность электрического поля.
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора 
в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле
Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:
…
Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.
В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю
Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q 0 вектор параллелен 
а при Q –30 Кл · м.
Дипольный момент молекулы воды
Во многих задачах электростатики требуется определить электрическое поле по заданному распределению зарядов. Пусть, например, нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити (рис. 1.2.5) на расстоянии R от нее.
Электрическое поле заряженной нити
Поле в точке наблюдения P может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с зарядом τΔx, где τ – заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммированию (интегрированию) элементарных полей 
Результирующее поле оказывается равным
Вектор везде направлен по радиусу 
Это следует из симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля по заданному распределению зарядов приводит к громоздким математическим выкладкам. В ряде случаев можно значительно упростить расчеты, если воспользоваться теоремой Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.
Поле точечного заряда
Всего получено оценок: 119.
Всего получено оценок: 119.
Конфигурация электрического поля определяется распределением зарядов. Поэтому самый простой вид электрического поля — это поле точечного заряда. Кратко рассмотрим строение такого поля.
Описание поля с помощью силовых линий
Проявление электрического поля состоит в возникновении силы, действующей на заряды, внесенные в это поле. Поскольку эта сила зависит от величины заряда, то характеристикой поля является специальный параметр — напряженность, которая равна отношению этой силы к величине пробного заряда:
Рис. 1. Напряженность электрического поля.
Для полного описания электрического поля необходимо знать модуль и направление вектора напряженности в любой точке.
Чтобы наглядно представить картину электрического поля, удобно нарисовать много векторов напряженности в рассматриваемой области. При этом векторы сольются в непрерывные линии. Такие линии называются силовыми линиями электрического поля, они всегда начинаются на положительном заряде, а заканчиваются на отрицательном. Информацию о модуле векторов в точке можно видеть из густоты этих линий.
Поле точечного заряда
Поскольку поле порождается электрическим зарядом, простейшим является поле точечного заряда. Строго говоря, в природе точечных зарядов нет: носителями заряда являются реальные элементарные частицы или тела, которые всегда занимают какой-то объем. Однако, если рассматриваемая область гораздо больше величины носителя заряда, то такой заряд с известной долей приближения можно считать точечным.
Сила, действующая на заряд, определяется формулой закона Кулона, известной в 10 классе:
Напряженность такого поля, следовательно, равна:
Она направлена по прямой, лежащей между зарядами. Следовательно, для того чтобы изобразить поле точечного заряда, необходимо помещать в различные точки пространства вокруг этого заряда пробный заряд и откладывать вектор кулоновской силы в этих точках.
Поскольку других зарядов в рассматриваемой ситуации нет — только точечный и пробный (он тоже точечный, с гораздо меньшей величиной) — то вектор силы, действующей на пробный заряд, будет всегда направлен по прямой, проходящей через исходный точечный заряд. Если таких векторов будет много, они сольются во множество радиальных линий.
При этом заметим, что по закону Кулона сила, действующая на пробный заряд, с увеличением расстояния падает. То есть густота силовых линий по мере удаления от точечного заряда должна уменьшаться. Для радиальных линий это так и есть.
Таким образом, электрическое поле точечного заряда представляет собой множество радиальных линий, расходящихся во все стороны от заряда. Если заряд положительный, то линии выходят из него, и уходят в бесконечность. Если заряд отрицательный — линии приходят из бесконечности в заряд.
Отметим, что описанный принцип построения силовых линий используется не только когда поле однородно, но и для полей, потенциал которых распределен в пространстве по сложному закону. В любом случае находятся векторы сил, действующих на пробный заряд, и по этим векторам строятся силовые линии. Поскольку на пробный заряд действуют сразу все рассматриваемые поля, для нахождения результирующей силы используется принцип суперпозиции полей (результирующая сила, действующая на пробный заряд, равна векторной сумме сил каждого отдельного поля, действующего на этот заряд).
Например, если рядом находятся два разноименных заряда, то картина электрического поля выглядит следующим образом:
Рис. 3. Поле электрического диполя.
Что мы узнали?
Электрическое поле изображается в виде картины силовых линий. Их направление совпадает с направлением вектора напряженности, а густота характеризует его модуль. Электрическое поле точечного заряда представляет собой множество радиальных линий, выходящих из заряда и уходящих в бесконечность.