Электростатическое поле и единичный заряд

Видео: Электрическое поле точечных зарядов

В обществе существует стереотип, согласно которому материей может считаться лишь то, что не только реально существует, но и зримо. Это убеждение верно лишь отчасти. Один из ярких примеров незримой материи – электростатическое поле. Магнитные и электрические поля – это особая ее разновидность. В этом достаточно просто убедиться, если рассмотреть электростатическое поле и его характеристики.

Еще в 1785 году Ш. Кулоном был открыт и обоснован закон о силе взаимодействия двух точечных тел, обладающих электрическими зарядами. Однако оставалось неясным, как именно передается воздействие. Был проведен ряд экспериментов, в частности, когда заряды располагались в вакууме. Закон соблюдался. Это позволило предположить, что для передачи силы привычная промежуточная среда не нужна. В дальнейшем Дж. Максвеллом (на основе работ Фарадея) было открыто электростатическое поле в вакууме. Получалось, что поле всегда существует вокруг зарядов, вне зависимости от вида окружающей среды, и обеспечивает их взаимодействие.

Так как поле материально, оно «подчиняется» формулам Эйнштейна и распространяется со скоростью света. Свое название электростатическое поле получило благодаря тому, что оно характерно для неподвижных зарядов («статика» - покой, равновесие). Сила, обнаруженная Кулоном, называется электрической. Она описывает интенсивность, с которой поле воздействует на внесенный в него заряд.

Видео: СЕ эффекты и опыты

Одна из характеристик, которой обладает электростатическое поле – это его напряженность. Указывает на степень взаимодействия точечных зарядов. Для изучения используют так называемый пробный заряд, внесение которого в поле не искажает последнее. Обычно он принимается равным 1.6*10 в степени -19 Кулон. Если напряженность обозначить буквой «E», то получаем:

E = F / Q,

где F – сила, оказывающая действие на единичный заряд Q (например, пробный). Использование для расчетов закона Кулона требует учитывания коэффициента диэлектрической проницаемости среды.

Электростатическое поле воздействует на любое количество зарядов, при этом возникает сложная система взаимодействий. Напряженность системы может быть рассмотрена с точки зрения суперпозиции, поэтому суммарное воздействие N-числа зарядов представляет собой векторную сумму всех напряженностей поля. Кстати, понятие «линии напряженности» (термин, известный еще из школьного курса физики) возник благодаря Фарадею, который схематично изображал поле линиями, в каждой произвольной точке совпадающими с векторами напряженности электростатического поля. Соответственно, чем больше таких линий, тем интенсивнее силовое воздействие. В отличие от электромагнитных полей, в электростатике линии напряженности не замкнуты. Также стоит отметить, что в металлах (и других проводящих материалах) напряженность поля отсутствует благодаря встречно направленному действию поля свободных носителей заряда, находящихся в структуре кристаллической решетки. Фактически, силы быстро уравниваются, ток отсутствует, а линии напряженности в такой проводник проникнуть не могут.

Кроме векторных величин, поле может быть описано скалярными значениями, взятыми в каждой (идеальный случай) точке. В электростатике указанные значения характеризуют потенциал поля. Можно сказать, что он соответствует значению потенциальной энергии для единичного положительного заряда в любой взятой точке поля. Соответственно, единицей измерения является Вольт. Определяется отношением потенциальной энергии заряда Q-пробный к его величине, то есть W / Q-пробный.

Сам потенциал равен работе, которую совершают силы электростатического поля, перемещая заряд из одной точки в другую, бесконечно удаленную.