Сила Кулона, закон Кулона, границы применимости, напряженность электростатического поля, принцип суперпозиции.

 

Опыты по притяжению и отталкиванию наэлектризованных тел позволяют предположить, что эл.заряды взаимодействуют. Причем взаимодействие зависит от расстояния (чем ближе – тем сильнее). Предположение – заряд передается через воздух. Опыт – заряженный электроскоп поместили под колокол, воздух откачали, а листочки электроскопа по-прежнему отталкивались. В результате исследований было установлено, что эл.заряды окружены эл.полем.

Электрическое поле (часть эл.магнитного) – особый вид материи, который создается эл.зарядами, неразрывно с ними связан и воздействует на заряды одинаково, независимо от того, двигаются они или покоятся в данной инерциальной системе отсчета.

Электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами – электростатическое. Его характеристиками являются напряженность и потенциал.

Электрическое поле взаимодействует с зарядом. Энергия этого взаимодействия - потенциальная.

Потенциал электрического поля – скалярная величина, энергетическая характеристика, равная отношению потенциальной энергии пробного заряда к величине этого заряда.

Пробным называют тот заряд, который существенно не меняет поле, с которым взаимодействует (э лементарный заряд –равный 1,6*10^-19 Кл).

Напряженность ( силовая характеристика)в данной точке электростатического поля - векторная физическая величина, равная отношению силы, действующей в данной точке поля, на точечный пробный заряд, к этому заряду. E = F /q. (E = F при q = 1). Ед. измерения 1 В/м = 1 Дж/(м*Кл) = 1Н/м или Н/кл

В каждой точке поля напряженность имеет определенное значение и зависит от координат. В случае переменных полей она зависит и от времени.

Направление вектора Е совпадает с на­правлением силы, действующей на «+» заряд. Если поле создается «-» зарядом, то вектор Е направлен к заряду и противонаправлен силе. Линии напряженности начинаются у «+» зарядов (или в бесконечности) и оканчиваются у «-» зарядов. По густоте линий можно судить о величине Е

Разные заряды одноименные заряды пластина

Картина будет более наглядной, если рисовать не векторы в отдельных точках, а непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности. Эти линии называются линиями напряженности или силовыми линиями электрического поля. За направление силовых линий принимается направление вектора Е.

Напряженность поля увеличивается по мере приближения к заряду, а силовые линии при этом сгущаются.

Линии напряженности электростатических полей не замкнуты. Отметим, что напряженность поля в диэлектрике меньше, чем в вакууме из-за явления поляризации и, следовательно, густота силовых линий в диэлектрике меньше. Отношение напряженности поля в вакууме к напряженности в данной среде называют диэлектрической проницаемостью вещества. E_вак./E.

Напряженность электростатического поля в металле равняется нулю, так как поле свободных зарядов, существующих в нем, через достаточно короткий промежуток времени уравновесит внешнее поле и ток в металле будет равен нулю. Поэтому силовые линии в металл не проникают.

Однородным называется электростатическое поле, во всех точках которого напряженность одинакова по величине и направлению

Электрическая сила (Кулоновская) – сила, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд независимо от того, двигается он или покоится в данной инерциальной системе отсчета.

Подносим заряженную «+» палочку к заряженной «-» гильзе. По мере приближения палочки угол отклонения гильзы будет увеличиваться. Следовательно, чем ближе расположены тела, тем сильнее действие поля.

Закон взаимодействия электрических зарядов (закон Кулона) – два точечных неподвижных заряда взаимодействуют в вакууме с силой, прямопропорциональной произведению их зарядов и обратнопропорциональной квадрату расстояния между ними, где -коэффициент пропорциональности, - заряды, - расстояние между ними.

 

Границы применимости закона Кулона –

1. Заряженные тела должны быть точечными. Если же размеры и расстояния соизмеримы, то необходимо мысленно «разбить» тело на такие малые объемы, чтобы каждый из них отвечал условию точечности. Суммирование сил, действующих между элементарными объемами заряженных тел, дает возможность определить электрическую силу.

2. Заряженные тела должны быть неподвижными, т.к. при движении заряженных тел проявляется действие магнитного поля, возникающего в результате этого движения.

Принцип суперпозиции

Если на тело действует несколько сил, то по законам механики Ньютона результирующая сила равна их геометрической сумме. В нашем случае – телом является электрический заряд. На электрические заряды действуют силы со стороны поля. Если при наложении в пространстве полей от нескольких зарядов эти поля не влияют друг на друга, то результирующая сила со стороны всех полей на заряд должна быть равна геометрической сумме сил со стороны каждого поля. Это означает, что напряженности полей складываются геометрически, так как напряженности прямо пропорциональны силам.

Т.о. принцип суперпозиции или принцип независимого наложения полей – если в данной точке пространства различные заряды создают электрические поля, напряженность которых , , и т.д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна

На рисунке показано, как геометрически определять напряженность поля, созданного двумя зарядами.

Для определения напряженности поля надо мысленно разделить на маленькие элементы, каждый из которых можно считать точечным. Определить заряды всех этих элементов и найти напряженности полей, созданных всеми ими в заданной точке. После этого геометрически сложить напряженности от всех элементов и найти результирующую.

Поля, удовлетворяющие этому принципу, называют линейными. Т.е. у них нет взаимодействия между отдельными участками, поле не действует само на себя. Гравитационное поле – нелинейно, как и поля взаимодействия кварков.