Электрическое поле. Принцип суперпозиции
Еще в глубокой древности было известно, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Позже было установлено, что аналогичным свойством обладают многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, называют наэлектризованными. Теперь мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называем заряженными.
В природе существуют только два вида зарядов - положительные и отрицательные. Заряды одного знака (одноименные заряды) отталкиваются, заряды разных знаков (разноименные заряды) притягиваются. Наименьшим (элементарным) зарядом обладают элементарные частицы.
Например, протон и позитрон заряжены положительно, электрон и антипротон - отрицательно. Элементарный отрицательный заряд по величине равен элементарному положительному заряду. В системе СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). Величина элементарного заряда
е = 1 ,6 - 1 0 Кл.
В природе нигде и никогда не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда + q всегда сопровождается появлением равного по абсолютной величине отрицательного электрического заряда - g .
Ни положительный, ни отрицательный заряды не могут исчезнуть по отдельности один от другого, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по абсолютной величине.
|
|
|
Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда, который формулируется следующим образом: в электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов остается постоянной:
q1 + q 2 + .....+ q „= const. (1.1)
Изолированной называется система, не обменивающаяся зарядами с внешней средой.
В 1785 г. Шарль Кулон (1736-1806) экспериментально, с помощью крутильных весов, установил закон взаимодействия двух точечных зарядов, т.е. таких заряженных тел, размерами которых в данной задаче можно пренебречь. Этот закон гласит: сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей эти заряды.
Для вакуума этот закон имеет вид
F =
где (Ф/м) - электрическая постоянная.
В диэлектрике сила взаимодействия двух точечных зарядов
F =
где е = F / F '> 1 - диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Она показывает, во сколько раз сила кулоновского взаимодействия зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме. Взаимодействие между зарядами на расстоянии осуществляется через электрическое поле. Электрическое поле - это одна из форм материи. Оно обладает свойством действовать на внесенные в него заряды с некоторой силой. Электрическое поле является составной частью электромагнитного поля. Поле, окружающее неподвижные заряды, называется электростатическим.
|
|
|
Представление об электрическом поле было введено в науку в 30-х г.г. X IX в. Майклом Фарадеем (1791-1867). Согласно Фарадею, каждый электрический заряд окружен созданным им электрическим полем. Заряд, с помощью которого исследуют это электрическое поле, называют пробным.
Пусть заряд q создает электрическое поле. Будем помещать в точку М электрического поля различные пробные заряды q (рис. 1.2).
На каждый из них электрическое поле действует с различными силами. Но если величину каждой силы разделить на соответствующий ей пробный заряд, то получим одно и то же значение, характерное для точки М этого поля. Таким образом, величина, равная силе, действующей на единичный пробный заряд в точке М , может служить силовой характеристикой электрического поля. Она называется напряженностью электрического поля.
|
|
|
Напряженность электрического поля - векторная величина. Направление вектора Е совпадает с направлением вектора силы F , действующей на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля.
Напряженность не зависит от наличия или отсутствия в данном поле пробных зарядов.
Она зависит от свойств самого поля, которые определяются зарядом-источником, расстоянием от него до точки поля, в которой измеряется напряженность, и средой, в которой создано поле. В системе СИ напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В/м).
Пусть имеется положительный точечный заряд - источник поля Q , Поместим в некоторую точку поля М этого заряда положительный пробный заряд q . На этот заряд будет действовать сила
F =
Тогда напряженность поля, создаваемого точечным зарядом Q в точке М,
E =
Если заряд Q окружает среда с диэлектрической проницаемостью е , то напряженность создаваемого им поля
Е = (1.7)
Графически электрическое поле изображают силовыми линиями.
Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных или уходят в бесконечность.
|
|
|
На рис. 1.3 изображены линии напряженности полей положительного (а), отрицательного (б) и системы из положительного и отрицательного зарядов (в).
О величине напряженности поля судят по густоте линий. Чем гуще расположены линии, тем больше величина напряженности. Густота линий - это число линий, пронизывающих единичную площадку, перпендикулярную линиям.
Вектор напряженности ноля является касательным к силовым линиям в каждой точке поля. Электрическое поле, напряженность которого в каждой точке одинакова по величине и направлению, называется однородным. Силовыми линиями однородного поля являются параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга. Из рис. 1.3 видно, что электрическое поле точечного заряда является неоднородным. Опыт показывает, что если на электрический заряд q одновременно действуют электрические поля нескольких зарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих со стороны каждого поля в отдельности.
Это означает, что электрические поля подчиняются принципу суперпозиции: если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля с напряженностями Ё1,Ё2 и т. д., то вектор напряженности электрического поля в этой точке равен сумме векторов напряженностей всех электрических полей (рис. 1.4):
Дата добавления: 2021-02-10; просмотров: 46; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!