Электрическое поле. Его основные характеристики: напряженность, электрическая индукция, потенциал. Потенциальное и вихревое электрические поля

В теории электричества первичным понятием является понятие электрического заряда. Заряды бывают положительные и отрицательные. Носителями отрицательных зарядов являются электроны. Их открыл лорд Томсон в 1897 году, а в 1919 году другой английский физик - Резерфорд открыл носителей положительных зарядов, которыми оказались частицы, входящие в состав ядра - протоны. И электроны, и протоны имеют заряд, равный 1,6^.10^-19Кл, отличаясь лишь знаком заряда.

Закон взаимодействия электрических зарядов был открыт на 100 лет раньше электрона в 1785 году и известен как закон Кулона. Как известно из школьного курса физики, закон Кулона в системе единиц СИ, которой мы будем пользоваться, выглядит следующим образом:

где q₁ и q₂ - величина взаимодействующих зарядов, г - расстояние между ними, а = 8,85^.10^-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные - притягиваются.

Каким образом осуществляется взаимодействие электрических зарядов, находящихся на удалении друг от друга? При ответе на этот вопрос мы приходим к понятию электрического поля. Взаимодействие осуществляется посредством особого вида материи, которая и называется электрическим полем. Поле материально, поскольку его можно обнаружить по силе, действующей на пробный заряд, помещенный в конкретную точку пространства, где существует электрическое поле. Электрическое поле порождается электрическими зарядами. Следует отметить, что источниками любых физических полей являются частицы. Создаваемые частицами поля переносят (с конечной скоростью) взаимодействие между соответствующими частицами. В квантовой теории взаимодействие зарядов обусловлено обменом квантами поля (фотонами) между заряженными частицами.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е, которая численно равна силе, действующей на единичный, положительный, точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

(2)

Единицей измерения напряженности является, как следует из определения этой величины Н/Кл или В/м. Конфигурацию электрического поля можно представить в виде картины распределения силовых линий, которые начинаются на положительных (на бесконечности) и заканчиваются на отрицательных (на бесконечности) зарядах. Касательная к силовой линии указывает направление вектора напряженности в данной точке поля. Принцип суперпозиции позволяет находить напряженность поля, создаваемого несколькими зарядами, как векторную сумму напряженностей, создаваемых отдельными зарядами:

Другой важной характеристикой поля является его энергетическая характеристика, называемая потенциалом. Потенциал электрического поля в данной точке - это работа по переносу единичного, положительного, точечного заряда от точки, потенциал которой принят равным нулю (обычно этой точкой является бесконечность), в данную точку поля:

Единицей измерения потенциалов является Дж/Кл = В. Разностью потенциалов (напряжением) между точками поля называют работу по перемещению единичного, положительного, точечного заряда из одной точки поля в другую:

где Е_l - проекция вектора напряженности на направление касательной в данной точке траектории. Разность потенциалов не зависит от пути, по которому переносят заряд. Это означает, что потенциал в данной точке поля однозначно определен, если выбрана точка нулевого потенциала.

В неоднородном поле Е = -grad , где градиент - вектор, показывающий направление наискорейшего возрастания потенциала. Если потенциал зависит только от одной координаты х, то grad = d /dx. В однородном поле Е = U/d, где d - расстояние между точками с разностью потенциалов U.

Иногда для визуального изображения поля наряду с силовыми линиями рисуют эквипотенциальные поверхности, то есть соединяют те точки поля, где потенциальная энергия одинакова. Поскольку силовые линии поля перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, при движении по ним работа не производится.

Еще одной силовой характеристикой поля в веществе служит вектор электрической индукции D = , который в вакууме ( = 1) с точностью до постоянного множителя совпадает с напряженностью электрического поля Е.

Поиск по сайту: