ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА ПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Электрическое поле (статическое) − поле неподвижных, электрически заряженных тел, заряды которых не изменяются во времени.
Электрическое поле обнаруживается как силовое взаимодействие заряженных тел. При этом различают положительные и отрицательные заряды. Заряды одного знака отталкиваются друг от друга, разного знака притягиваются.
В основе описания свойств электрического поля лежит закон Кулона, установленный опытным путем.
| Закон Кулона. Между покоящимися точечными зарядами действует сила, пропорциональная произведению зарядов, обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними и направленная по прямой от одного заряда к другому (рис. 1.1): | ||
| (1.1) | |
где 
− сила, действующая на заряд 
; 
− расстояние между зарядами и 
; 
− сила, действующая на заряд ; 
– единичный вектор, направленный от второго заряда к первому; 
– электрическая постоянная.
Точечными зарядами можно считать заряженные тела, размеры которых малы по сравнению с расстоянием между ними.
Основная единица измерения силы в международной системе единиц (СИ) − ньютон (Н); заряда − кулон (Кл): 
; длины − метр (м).
Основными величинами, характеризующими электрическое поле, являются напряженность, электрический потенциал и разность потенциалов, или напряжение.
Напряженностью электрического поля называется мера интенсивности его сил, равная отношению силы 
, действующей на пробный положительный точечный заряд 
, вносимый в рассматриваемую точку поля, к значению заряда
| (1.2) |
Так же как и сила , напряженность электрического поля  − векторная величина, т.е. характеризуется значением и направлением действия. Основная единица измерения напряженности электрического поля в СИ − вольт на метр (В/м).
Из формулы (1.1) следует, что напряженность электрического поля точечного заряда  на расстоянии от него равна
| |
| (1.3) |
и направлена от точки расположения заряда к точке, где определяется напряженность, если заряд положительный (рис. 1.2, а), и в противоположную сторону, если заряд отрицательный (рис. 1.2, б). Если зарядов, создающих электрическое поле, несколько, то напряженность в любой точке поля равна сумме напряженностей от каждого из них в отдельности.
Пример 1.1.
Определить значение и направление действия напряженности электрического поля в точке А, расположенной на расстояниях 
и 
от точечных зарядов 
и 
(рис. 1.3).
| Решение. По формуле (1.3) определяем напряженности электрического поля в точке А от действия точечных зарядов и
| ||
| ||
| ||
Направления векторов напряженности  и  совпадают с направлениями действия сил на пробный положительный точечный заряд, если его расположить в точке А.
Напряженность результирующего электрического поля в точке А направлена вдоль гипотенузы прямоугольного треугольника, катетами которого являются векторы напряженностей и , и имеет значение
| ||
| Можно говорить о поле вектора и изображать это поле линиями вектора − силовыми линиями.
| ||
| Если напряженность электрического поля во всех точках одинакова, то поле однородное, например, поле равномерно заряженной плоской пластины бесконечных размеров (рис. 1.4), а если различна, то поле неоднородно, например поле двух точечных зарядов (рис. 1.5). | ||
| Рис. 1.5 | ||
При перемещении вдоль произвольного участка длиной 
заряда в электрическом поле под действием сил поля совершается работа
| (1.4) |
При этом работа по переносу заряда вдоль произвольного замкнутого контура равна нулю. Действительно, так как все свойства поля определяются относительным расположением зарядов, то перенос заряда по замкнутому контуру и возвращению в исходную точку означает первоначальные распределение зарядов и запас энергии. Это означает также, что с учетом (1.4) циркуляция вектора напряженности равна нулю
| (1.5) |
Условие (1.5) позволяет характеризовать электрическое поле в каждой точке функцией ее координат − электрическим потенциалом.
Электрический потенциал в данной точке электрического поля
| (1.6) |
с учетом (1.4) численно равен работе, которую могут совершить силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из данной точки в точку, потенциал которой принят равным нулю.
Разность потенциалов двух точек 1 и 2, или напряжение между точками 1 и 2, электрического поля
| (1.7) |
численно равна работе, которую могут совершить силы электрического поля при переносе единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.
Единица измерения электрического потенциала в СИ − вольт (В).
Влияние электрического поля на проводники и диэлектрики
Проводниками называются вещества, содержащие заряды, которые могут в них свободно перемещаться (свободные заряды).
К таким веществам относятся, например, металлы (см. табл. 2.1), содержащие свободные электроны, и электролиты, содержащие свободные положительно и отрицательно заряженные ионы.
Диэлектриками называются вещества, в которых свободные заряды отсутствуют. Однако внутри своих электрически нейтральных молекул они содержат связанные между собой положительные и отрицательные заряды. К таким веществам относятся, например, эбонит, гетинакс, асбоцемент и т. д. (см. табл. 1.1 ).
При наличии проводников и диэлектриков электрическое поле существует в том же вакууме, как если бы проводники и диэлектрики отсутствовали, а их влияние на электрическое поле сводится к появлению дополнительных зарядов, переместившихся в
этих веществах под действием электрического поля и в свою очередь создающих электрическое поле.
В проводниках свободные заряды под действием статического электрического поля свободно перемещаются, располагаясь на поверхности проводников. Статическое электрическое поле в проводниках существовать не может, так как в противном случае
было бы перемещение свободных зарядов.
| В диэлектриках под действием электрического поля происходит упругое смещение − поляризация − внутри молекул связанных зарядов (рис. 1.6, положительных зарядов − по направлению поля, отрицательных − в обратном направлении). |
Закон Гаусса. Сумма всех свободных и связанных зарядов, заключенных в объеме, ограниченном замкнутой поверхностью S, пропорциональна потоку вектора напряженности электрического поля через эту поверхность:
| (1.8) |
где 
− относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика (безразмерная величина). Для вакуума 
.
Произведение относительной диэлектрической проницаемости на электрическую постоянную 
называется абсолютной диэлектрической проницаемостью:
|
Пример 1.2.
Определить напряженность однородного электрического поля равномерно заряженной пластины с плотностью заряда 
и разность потенциалов между точками 1 и 2, расположенными на расстояниях 
и 
от заряженной пластины вдоль силовой линии поля (см. рис. 1.4).
Решение. По теореме Гаусса (1.8) поток вектора напряженности электрического поля через поверхность куба с площадью граней S равен
|
откуда
|
Разность потенциалов между точками 1 и 2 по формулам (1.6) и (1.7) равна
|
