- •Электромагнетизм
- •Глава 1
- •Основные положения теории электромагнетизма.
- •Основные законы электростатики в вакууме.
- •Теорема Гаусса.
- •1.4. Дифференциальная форма теоремы Гаусса.
- •1.5. Работа сил электростатического поля.
- •Потенциал электростатического поля.
- •1.7. Потенциал и напряженность поля системы точечных зарядов.
-
Основные законы электростатики в вакууме.
Электростатика устанавливает законы, определяющие поведение и взаимодействие неподвижных зарядов.
-
Закон Кулона.
Кулон
(1785 г.) проводил опыты по измерению силы
взаимодействия точечных зарядов
(размеры заряженных тел значительно
меньше расстояния между ними
)
с помощью крутильных весов и открыл
основной количественный закон
электростатики.
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды.
(2.1)
![]()
Выбор
коэффициента
зависит от системы единиц.
СИ.
Основные единицы: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), Кельвин (К) и Ампер (А). При этом величина заряда и сила определяются независимо:
1 заряда (Кулон) = 1Кл = 1 А1 с
Коэффициент
равен
(2.2)
где
- диэлектрическая постоянная. Тогда
значение коэффициента
составляет
.
1 Кулон – очень большой заряд. Например, сила взаимодействия двух точечных зарядов по 1 Кл на расстоянии в 1 км = 103 м равна
Н.
Система CGSE.
Основные
единицы: сантиметр (см), грамм (г), секунда
(с), Кельвин (К). Сила как величина
производная (по второму закону Ньютона)
измеряется в Динах (Дн). В этой системе
заряд является производной единицей
и определяется через силу (закон Кулона),
считая, что коэффициент пропорциональности
в законе Кулона равен единице:
.
(2.3)
Связь между единицами заряда в двух системах:
(2.4)
Здесь коэффициент 3109 фактически есть произведение 10 на скорость света.
В нашем курсе мы в основном будем пользоваться системой CGSE и системой Гаусса.
-
Напряженность электрического поля.
Взаимодействие между покоящимися зарядами осуществляется посредством электрического поля. Всякий электрический заряд определенным образом изменяет свойства окружающего пространства, т.е. создает в нем электрическое поле, которое может быть обнаружено по воздействию на «пробный» заряд q0.
Силовой характеристикой электрического поля служит векторная величина, называемая напряженностью электрического поля и определяемая как
.
(2.5)
Напряженность
поля, создаваемого точечным зарядом
в окружающем пространстве, определяется
выражениями:
.
(2.6)
Однородным называется электрическое поле, напряженность которого во всех точках рассматриваемого пространства одинакова:
.
(2.7)
Принцип суперпозиции (наложения) электрических полей вытекает из обобщения опытных фактов.
Опыт
показывает, что сила, действующая на
«пробный» заряд
со стороны
го
заряда не изменяется в присутствии
других зарядов:
(2.8)
Поэтому
при наличии системы электрических
зарядов полная сила, действующая на
«пробный» заряд
,
будет равна векторной сумме сил,
действующих на «пробный» заряд
со
стороны каждого заряда рассматриваемой
системы:
(2.9)
Напряженность электрического поля, создаваемого всеми зарядами системы, в любой точке пространства определяется как векторная сумма напряженностей полей, создаваемых каждым отдельным зарядом:
(2.10)
Размерность напряженности в системах CGSE и СИ:
.
(2.11)
Если
заряд распределен в пространстве
непрерывно, то весь объем, содержащий
заряд, разбивают на столь малые области,
в пределах которых заряды можно считать
точечными
,
где
- плотность заряда. Тогда электрическое
поле, создаваемое таким зарядом находится
как
.
(2.12)
Этот
интеграл представляет формальную
запись напряженности электрического
поля непрерывно распределенных в
пространстве зарядов. Для практических
вычислений надо рассматривать проекции
вектора
на оси выбранной системы координат и
проводить интегрирование (суммирование)
для каждой проекции.
Силовые линии электрического поля.
Очень
наглядно можно
представить поле вектора
графически в виде линий тока вектора,
или силовых линий. Силовые линии –
кривые в пространстве, касательные к
которым совпадают с направлением
вектора напряженности поля в данной
точке:
Силовые линии поля Силовые линии поля Силовые линии поля диполя
точечного положительного точечного отрицательного
заряда заряда



С
иловые
линии однородного электрического поля:
Густота
силовых линий, т.е. число линий,
пронизывающих единичную площадку,
перпендикулярную линиям в данной точке,
графически определяет модуль вектора
напряженности электрического поля
(пропорциональна модулю вектора
).
