Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей.

Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электрического поля.

Электрическое поле – одна из форм материи, существующая вокруг электрического заряда, с помощью которой происходит взаимодействие этих зарядов. Электрическое поле существует и действует на заряды независимо от того, движутся они или неподвижны.

Согласно существующей в современной физике теории близкодействия существует конечная скорость распространения электромагнитного поля – скорость света ().

Если заряды неподвижны, то электрическое поле называется электростaтическим.

Напряженность электрического поля (Е) – векторная физическая величина, характеризующая силовое действие электрического поля.

Напряженность электрического поля численно равна силе, действующей на единичный положительный точечный заряд ("пробный" заряд), помещенный в данную точку поля:

.

Вектор напряженности поля совпадает с направлением силы, действующей на пробный заряд т.е. если q > 0, то вектор напряженности направлен от заряда, при q < 0 – к заряду.

Напряженность электрического поля равна единице (), если разность потенциалов между двумя точками на расстоянии 1 м в однородном поле равна 1 В: .

Электрическое поле называется однородным, если его напря­женность во всех точках одинакова и по модулю и по направлению.

Величина модуля вектора напряженности поля, создаваемая точечным зарядом q, равна:

или – в векторной форме;

или – модуль напряженности.

Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженности полей, созданных каждым из этих зарядов в отдельности в данной точке пространства. Для N зарядов:

Графически электростатическое поле можно изобразить с помощью силовых линий.

Силовыми линиями (линиями напряженности) называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке поля.

Свойства линий напряженности:

1) они не замкнуты, начинаются на положительных, а закан­чиваются на отрицательных зарядах;

2) в пространстве между зарядами силовые линии не прерываются и не пересекаются;

3) линии напряженности перпендикулярны эквипотенциальным
поверхностям (в том числе и поверхности проводника, на котором заряды
находятся в равновесии);

4) плотность линий напряженности пропорциональна величине Е.

Электростатические поля простых систем (для задач):

1) Поле шара:

или , r > a, где а – радиус шара; r – радиус-вектор, проведенный из центра шара в точку М вне шара, где измеряется поле.

а) в случае объемного распределения заряда с плотностью : ;

б) в случае поверхностного распределения заряда с плотностью : ;

в) электрическое поле внутри сферической полости, равномерно заряженной по поверхности: ;

г) электрическое поле внутри шара, равномерно заряженного по объему: при r < a, где - диэлектрическая проницаемость вещества шара; r – радиус-вектор, проведенный из центра шара в точку М внутри шара, где измеряется поле.

2) Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости:

3) Поле плоскопараллельной пластинки толщиной 2а с объемной плоскостью заряда :

а) внутри пластинки: , где – диэлектрическая проницаемость вещества пластинки; х – расстояние от средней плоскости пластинки до плоскости, где измеряется напряженность поля

2 а х y

б) вне пластинки: , где – диэлектрическая проницаемость внешней среды;

в) при х = а и отсутствии на поверхности свободных зарядов: ;

г) при х = а и наличии на поверхности свободных зарядов: .

4) Поле между разноименно заряженными пластинами с одинаковой плотностью : ; в остальном пространстве .

5) Поле вблизи поверхности заряженного проводника.

Напряженность поля вблизи поверхности произвольного заряженного металлического проводника в случае, когда заряды в нем находятся в равновесии (т.е. отсутствует электрический ток, а значит, поле внутри него равно нулю), не зависит явно от формы проводника, распределения зарядов в нем и расположения соседних проводников:

6) Поле цилиндра и длинной прямой линии:

а) , если цилиндр полый и равномерно заряжен по поверхности, то поле внутри равно нулю;

б) – цилиндр равномерно заряжен по объему; где – диэлектрическая проницаемость вещества цилиндра.

7) Поле цилиндрического конденсатора (коаксиального металлического кабеля):

, – линейная плотность заряда внутреннего цилиндра.

3. Проводники в электрическом поле. Характерная особенность проводников – наличие большого количества свободных подвижных зарядов электронов. При попадании проводника во внешнее электрическое поле электроны проводимости перераспределяются так, что напряженность результирующего поля (внешнего и внутреннего ) в любой точке проводника будет равна нулю (рис.6.5).

Явление перераспределения зарядов в проводнике во внешнем электростатическом поле называется электростатической индукцией или электризацией через влияние. Перераспределяются только собственные заряды в проводнике, в целом он электрически нейтрален.

При равновесии зарядов в проводнике потенциал всех его точек одинаков, его поверхность является эквипотенциальной, вектор напряженности поля перпендикулярен к поверхности, внутри проводника он равен нулю. На этом свойстве основана электростатическая защита.

Заряды располагаются только на выпуклой стороне проводника. Это соответствует минимуму потенциальной энергии зарядов.

Для сферы на ее поверхности ; .

Поверхностная плотность заряда .

Для тела с переменным радиусом поверхностная плотность заряда увеличивается с уменьшением радиуса кривизны поверхности.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: