6. Электрическое поле

В начале 19-го века английский ученый Майкл Фарадей предположил, что взаимодействие между заряженными телами осуществляется посредством электрического поля: каждое из этих тел создает поле, которое действует на другое тело.

Электрическое поле - особый вид материи, существующий независимо от нашего сознания и обладающий 2 св-ми:

1. Порождается неподвижными зарядами

2. Обнаруживается под действием на неподвижные заряды.

Различают два основных вида электрических полей: элек­тростатическое и вихревое (индукционное).

Электрическое поле, созданное покоящимися электриче­скими зарядами называется электростатическим.

Главное свойство электрического поля заключается в его способности действовать на электрические заряды с некоторой силой.

Характеристики электрического поля:

1. Напряженность  —  силовая характеристика электрического поля.  

Е – напряженность - силовая характеристика электрического поля. Она показывает с какой силой действует данное поле на вносимый в него пробный электрический заряд.

Напряженность не зависит от величины заряда, помещенного в поле.  , если q>0.  , если q<0. Т.е. вектор напряженности направлен от положительного заряда и к отрицательному. 

Н апряженность полей, созданных отдельными зарядами, складываются геометрически (принцип суперпозиции):  .  Поле можно представить при помощи линий напряженности (силовых линий).

Силовые линии (рис.14.12, 14.11)- это такие линии напряженность которых в любой точке направлена по касательной. Они должны:

1. Начинаться на «+» заряде и заканчиваться на «-» заряде

2. Н е пересекаться

3. Выходить перпендикулярно поверхности

2. Потенциал (φ)- энергетическая характеристика электрического поля- работа по перемещению заряда из данной точки в бесконечность.

Отношение потенциальной энергии заряда q, помещенного в данную точку поля, к этому заряду называется потенциалом электростатического поля в данной точке: ;

Открытие закона Кулона. Крутильные весы

Закон взаимодействия неподвижных электрических зарядов – закон Кулона – основной (фундаментальный) физический закон и может быть установлен только опытным путем. Ни из каких других законов он не вытекает.

О ткрытие закона взаимодействия электрических зарядов было облегчено тем, что эти силы оказались велики. Здесь не нужно было применять особо чувствительной аппаратуры, как при измерении гравитационной постоянной Кавендишем. С помощью довольно простого прибора – крутильных весов удалось установить, как взаимодействуют друг с другом маленькие заряженные шарики.

Устройство крутильных весов Кулона (рисунок 2).

С теклянная палочка 1, подвешенная на тонкой упругой проволоке 4. На одном конце палочки (коромысло весов) укреплен бузиновый позолоченный шарик 3. Еще один шарик 5 на другом конце – противовес 5. Еще один шарик 2 закреплен на крышке весов неподвижно. Поворотом коромысла на нити, приводят шарики 1 и 2 в соприкосновение. Затем вынимают шарик 2, заряжают его и снова опускают до соприкосновения с шариком 1.

Ч асть заряда переходит с шарика 2 на шарик 1, и они отталкиваются (по третьему закону Ньютона силы взаимодействия зарядов: , рисунок 3). При этом проволока 4 закручивается на некоторый угол , фиксируемый по шкале 6. Расстояние между шариками 1 и 2 измерялось с помощью градуировочной шкалы 7.

Изменяя расстояния r между шариками 1 и 2, а также заряды шариков и , Кулон сделал главный вывод: сила взаимодействия двух заряженных шариков обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

.

Д ля определения зависимости силы от заряда шариков Кулон нашел простой и остроумный способ изменения заряда одного из шариков⁵.

Для этого он соединял заряженный шарик с таким же незаряженным. Заряд при этом распределялся поровну между шариками, что и уменьшало исследуемый заряд в 2, 4 и т.д. раз. Новое значение силы при новом значении заряда опять определялось экспериментально. При этом выяснилось, что сила прямо пропорциональна произведению зарядов шариков: .

П ри рассмотрении взаимодействия сферических или шарообразных тел фигурирующее в формуле расстояние r – это расстояние между геометрическими центрами тел (рисунок 4).

Если на данный заряд действуют кулоновские силы со стороны нескольких зарядов, то равнодействующая равна векторной сумме этих сил.

Для того чтобы найти равнодействующую нескольких кулоновских сил, действующих на заряд, необходимо найти векторную сумму этих сил (рисунок 5).

1 Здесь и в дальнейшем для краткости мы часто будем говорить о зарядах, перемещении зарядов и т.д. В действительности же при этом имеются в виду заряженные тела (или частицы), перемещение заряженных частиц и т.д.., так как заряда без частицы не существует. Носителями отрицательного заряда в атоме является электрон, положительного – протон.

2 В действительности электризация тел происходит при соприкосновении, а к трению в опытах прибегают для увеличения площади соприкосновения.

3 Причина сохранения электрического заряда до сих пор неизвестна.

4 Замкнутой системой называют систему, в которую не входят извне и выходят наружу заряженные частицы.

5 Отметим, что измерять заряд Кулон непосредственно не мог. В то время еще не были установлены единицы заряда. Здесь речь идет о качественной оценке больше-меньше, во сколько раз.

4