Напруженість і потенціал електростатичного поля

Електромагнітне поле.

Електромагнітне поле — це поле, яке описує електромагнітну взаємодію між фізичними тілами, особливий вид матерії, за допомогою якого відбувається електромагнітна взаємодія.. Існування ЕМ-хвиль було передбачене Максвеллом на основі аналізу відомих законів і теорем і введення струму зміщення. Він довів, що електричне і магнітне поля є проявом єдиного електромагнітного поля в різних системах відліку.

Електромагнітне поле характеризується векторними величинами напруженістю електричного поля , вектором електричної індукції , вектором магнітної індукції й напруженістю магнітного поля .

У вакуумі , . У середовищі ці співвідношення несправедливі через процеси поляризації та намагнічування. В загальному випадку

,

де — вектор поляризації, а — вектор намагніченості.

Конкретний зв'язок між цими величинами визначається фізичними процесами, які відбувається в середовищі й описується формулами, які називаються матеріальними співвідношеннями.

Наприклад, для однорідних ізотропних середовищ при слабких полях і без врахування запізнення й просторової дисперсії матеріальні співвідношення записуються:

,

де — діелектрична проникність середовища ( — діелектрична проникність вакууму), — магнітна проникність середовища.

Окремими проявами стаціонарного електромагнітного поля є електростатичнеполе і магнітнеполе.

Матеріальність електромагнітного поля доведена численними експериментами Фарадея, Герца та інших учених, які виявили силову дію поля на рухомі заряджені частинки і провідники зі струмом.

Нестаціонарне електромагнітне поле поширюється у просторі у вигляді електромагнітної хвилі.

Отже, електромагнітна хвиля — це процес поширення електромагнітних коливань (або поширення електромагнітного поля в просторі). Одна з основних її властивостей — поперечність: , інша важлива властивість така: електромагнітні хвилі усіх λ поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, що дорівнює швидкості світла у вакуумі: .

Шкала електромагнітних хвиль містить хвилі від -променів до радіохвиль.

ЕМХ при попаданні на поверхню речовини відбиваються, поглинаються і проходять через дане середовище. Енергія електромагнітної хвилі складається з енергії електричного поля і енергії магнітного поля: .

Густина енергії поля (тобто енергія поля в ділянці простору одиничного об’єму):

Ще одна важлива характеристика електромагнітного поля — густина потоку випромінювання. Так називається добуток W на швидкість хвилі v:

Отже, густина потоку випромінювання J чисельно дорівнює енергії, що переноситься електромагнітною хвилею за одиницю часу через поверхню одиничної площі, перпендикулярну до напрямку хвилі.

Необхідно зауважити, що коливальний контур із плоским конденсатором — закритий: електричне поле в такому контурі зосереджено в конденсаторі. Для випромінювання контуром у навколишній простір електромагнітних хвиль використовується відкритий контур.

Спрощено одержання такого контуру можна пояснити так: відстань між обкладками конденсатора збільшували доти, доки одна з них перетворилась на антену, а другу заземлили.

Електромагнітне поле створюється зарядами. Непорушні заряди створюють електричне поле, рухомі заряди — електричне й магнітне поле.

Джерелами ЕМП є (природні): атмосферна електрика, радіовипромінювання сонця і галактик; квазістатичні, електричні та магнітні поля землі, штучні джерела (електромагнітні установки з машинними генераторами, клістронні і магнетронні генератори і т.п.). Штучними джерелами також являються індуктори, конденсатори термічних установок з ламповими генераторами (потужність яких буває в границях 8-200 кВт), фідерні лінії, які з’єднують окремі частини генераторів, трансформатори, антени, відкриті кінці хвилеводів, генератори надвисоких частот.

 

Закон Кулона.

Закон Кулона - це закон про взаємодії точкових електричних зарядів. Був відкритий Шарлем Кулоном в 1785 р. Провівши велику кількість дослідів з металевими кульками, Шарль Кулон дав таке формулювання закону: сила взаємодії двох точкових нерухомих заряджених тіл зарядами та відповідно у вакуумі спрямована вздовж прямої, що з'єднує заряди, прямо пропорційна добутку модулів зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними:

Сила взаємодії направлена вздовж прямої, що з'єднує заряди, причому однойменні заряди відштовхуються, а різнойменні притягуються. Сили, що визначаються законом Кулона адитивні. Коефіціент пропорційності k має назву електростатичної сталої та залежить від вибору одиниць виміру.

Важливо відзначити, що для того, щоб закон був вірний, необхідні:

1) точковість зарядів — тобто відстань між зарядженими тілами має бути набагато більшою за їх розміри — втім, можна довести, що сила взаємодії двох об'ємно розподілених зарядів зі сферично симетричними непересічними просторовими розподілами дорівнює силі взаємодії двох еквівалентних точкових зарядів, розміщених в центрах сферичної симетрії;

2) їх нерухомість. Інакше вступають в силу додаткові ефекти: магнітне поле рухомого заряду і відповідна йому додаткова сила Лоренца, що діє на інший рухомий заряд;

3) взаємодія в вакуумі.

В однорідному ізотропному середовищі сила взаємодії між зарядами зменшується в разів: , де — діелектрична проникність середовища, — діелектрична проникність вакууму.

У векторній формі формулювання закону Кулона записується так:

де — сила, з якою заряд 1 діє на заряд 2; , — величина зарядів; — радіус-вектор (вектор, спрямований від заряду 1 до заряду 2, і рівний, по модулю, відстані між зарядами ); — коефіцієнт пропорційності. Таким чином, закон вказує, що однойменні заряди відштовхуються (а різнойменні — притягуються).

 

Напруженість і потенціал електростатичного поля.

Напру́женість електри́чного по́ля — це векторна фізична величина, яка дорівнює силі, яка діє у даній точці простору у даний момент часу на пробний одиничний електричний заряд у електричному полі.

,

де — сила, — електричний заряд, — напруженість електричного поля, вимірюється у В/м.

У електростатиці електростатичний потенціал визначається згідно із співвідношенням

, де — напруженість електричного поля.

Головна властивість електричного поля – здатність його діяти на електричні заряди з певною силою. Електричне поле нерухомих зарядів називають електростатичним. Воно незмінне з часом і створене тільки електричними зарядами; існує в просторі, який оточує ці заряди і нерозривно з ними пов’язане.

Робота будь-якого електростатичного поля під час переміщення зарядженого тіла з однієї точки в іншу, як і робота однорідного поля, не залежить від форми траєкторії. На замкнутій траєкторії робота електростатичного поля рівна нулю. Поля, які мають таку властивість, називають потенціальними.

Потенціальна енергія заряду в електростатичному полі пропорційна заряду. Це справедливо як для однорідних, так і для неоднорідних полів. Отже, відношення потенціальної енергії до заряду не залежить від заряду, вміщеного в полі.

Це дає змогу ввести нову кількісну характеристику поля – потенціал. Потенціаломелектростатичногополя називають відношення потенціальної енергії заряду в полі до величини цього заряду. В СІ вимірюється у вольтах. Потенціал поля, створеного одним точковим зарядом q у вакуумі, дорівнює:

,

де — діелектрична проникність вакууму,

Роботу, яку виконують електростатичні сили при переміщенні заряду від точки 1до точки 2електростатичного поля, можна записати так:

де та - потенціали поля в точках 1 та 2 відповідно.

Якщо заряд з точки з потенціалом віддаляється в нескінченність (), тоді робота сили поля буде дорівнювати . Звідси

Отже, потенціал даної точки електростатичного поля – це така фізична величина, яка числово дорівнює роботі, яку виконують зовнішні сили (проти сил електростатичного поля) при переміщенні одиничного позитивного заряду з нескінченності в дану точку поля. Потенціал поля, яке створюється системою зарядів, дорівнює алгебраїчній сумі потенціалів, створених кожним із зарядів зокрема:

.