Силовые линии электрического поля

Электростатика – раздел физики, в котором изучается взаимодействие и условия равновесия (покоя) электрических зарядов, неподвижных относительно инерциальной системы отсчета.

Несмотря на разнообразие веществ, в природе существует только два вида электрических зарядов. Один из них условно называют отрицательным, а второй – положительным. Электрический заряд тела величина релятивистски инвариантная, т.е. не зависит от того движется тело или покоится. Электрический заряд любого тела дискретен и кратен элементарному электрическому заряду e = 1,6 ∙10^-19.

 

q = Ne (1)

 

Всякий процесс электризации тел сводится к разделению зарядов, при этом в одном месте образуется избыток положительных, а в другом отрицательных зарядов. В замкнутой (изолированной) системе тел алгебраическая сумма зарядов остается неизменной при любых процессах, протекающих внутри этой системы. Это закон сохранения заряда.

В основе электростатики лежит закон Кулона, который определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов q₁ и q₂, расположенных на расстоянии r_1,2 друг от друга:

 

, (2)

 

где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – диэлектрическая постоянная; ε – диэлектрическая проницаемость среды.

 

 

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

СИЛОВЫЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Согласно представлениям современной физики воздействие одного заряда на другой передается через электростатическое поле – особую бесконечно простирающуюся материальную среду, которую создает вокруг себя каждое заряженное тело. Электростатические поля не могут быть обнаружены органами чувств человека. Однако, на заряд, помещённый в поле, действует сила прямо пропорциональная величине этого заряда. Т.к. направление силы зависит от знака заряда, то условились использовать для исследования полей, так называемый, пробный заряд q₀. Это положительный, точечный заряд, который помещают в интересующую нас точку электрического поля. Соответственно в качестве силовой характеристики поля целесообразно использовать отношение силы к величине пробного заряда q₀:

 

. (3)

 

Эта постоянная для каждой точки поля векторная величина равная силе, действующей на единичный, положительный заряд называется напряженностью. Для поля точечного заряда q на расстоянии r от него:

 

, (4)

 

Направление вектора совпадает с направлением силы, действующей на пробный заряд. [E] = Н / Кл или В/м.

В диэлектрической среде сила взаимодействия между зарядами, а значит и напряженность поля, уменьшается в ε раз:

 

, . (5)

 

При наложении друг на друга нескольких электростатических полей, результирующая напряженность определяется как векторная сумма напряженностей каждого из полей (принцип суперпозиции):

 

. (6)

 

Графически распределение электрического поля в пространстве изображается с помощью силовых линий. Эти линии проводятся так, чтобы касательные к ним в любой точке совпадали с . Это означает, что вектор силы, действующей на заряд, а значит и вектор его ускорения, тоже лежат на касательных к силовым линиям, которые нигде и никогда не пересекаются. Силовые линии электростатического поля не могут быть замкнутыми. Они начинаются на положительном и заканчиваются на отрицательном зарядах или уходят в бесконечность.