Электростатическое поле. Силовые линии. Структура поля монополя, диполя. Применение принципа суперпозиции. Проводники и диэлектрики.

Из теории – один электрический заряд «чувствует» другой. При перемещении одного заряда А сила, действующая на другой В, мгновенно изменяет свое значение. Причем ни с самим зарядом В, ни с окружающим его пространством никаких изменений не происходит.

Предположение – взаимодействие 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.

Согласно идее Фарадея, эл.заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает вокруг себя в окружающем пространстве электрическое поле. Поле одного заряда действует на другой заряд и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает.

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. Оно существует независимо от наших представлений о нем.

Главное свойство эл.поля – действие его на заряды с некоторой силой.

Эл.поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем.

Однако недостаточно утверждать, что эл.поле существует. Надо ввести его количественную характеристику.

Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие (пробные) заряженные тела, то обнаружится, что сила, действующая со стороны поля на эл.заряд, прямо пропорциональна этому заряду.

Т.о 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. Всегда перпендикулярны поверхности проводника.

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

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.

Проводники (все металлы + ряд других веществ) – есть свободные заряды, перемещающиеся внутри под действием поля. Если эл.заряды неподвижны, то поля в проводнике нет (если напряженность не равна нулю, то поле приводило бы свободные заряды в движение и в проводнике был бы ток).

Аналогично во внешнем поле. Опыт – внесем в электрическое поле проводящий шар. В первый момент возникнет электрический ток, так как поле внутри шара вызывает перемещение электронов справа налево. Левая часть шара заряжается «-», правая «+». Это-явление электростатической индукции. Заряды, появившиеся на поверхности проводника, создают свое поле, которое накладывается на внешнее и компенсирует его (на рис – силовые линии поля проводника - пунктирные). В итоге – заряды перераспределились, напряженность результирующего поля=0 и движение зарядов прекращается. Силовые линии электростатического поля вне проводника всегда перпендикулярны к его поверхности.

В случае равновесия зарядов - и поле и заряд проводника =0. Весь статический заряд расположен на поверхности.

Диэлектрики Опыт – заряженный электрометр с металлическим диском на конце стержня. Поднесем к диску незаряженный диэлектрик (толстое стекло). Стрелка электрометра приблизится к стержню. След., диэлектрик, помещенный в электрическое поле заряженного диска, сам создает эл.поле. Это поле влияет на распределение заряда в стержне и диске, уменьшая заряд стрелки и увеличивая заряд диска. Т.о. нейтральный диэлектрик создает эл.поле, напряженность которого направлена противоположно напряженности поля заряженного тела.

Это происходит потому, что: ядро «+» в центре, электроны «-». Электрон движется в очень большой скоростью и принято считать, что даже за очень малый промежуток времени центр распределения «-» заряда приходится на середину атома и совпадает с положительным. Однако рассмотрим поваренную соль NaCl. У Na – один валентный электрон, у Cl –семь. При образовании молекулы электрон Na захватывается Cl, оба нейтральных атома превращаются в систему из двух ионов с зарядами противоположных знаков. Центр Na «+», центр Cl «-». На большом расстоянии такую молекулу можно рассматривать кака совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю, противоположных по знаку и находящихся на расстоянии l. Такую систему зарядов называют эл.диполем. У него есть дипольный момент , где q– модуль одного из зарядов диполя, l - направлена от «-» заряда к «+».

Диэлектрики делятся на полярные (центры распределения «+» и «-» зарядов не совпадают) и неполярные (совпадают). Полярные – спирты, вода, неполярные – инертные газы, кислород, водород и пр.

Поляризация полярных Д. – полярный Д. между двумя металлич. пластинами. Если пластины незаряжены и напряженность поля=0, то диполи ориентированы хаотично, заряды компенсируют друг друга и Д. не создает поле. Сообщим заряд пластинам. Если размеры пластин больше расстояния между ними, то возникает эл.поле, на диполь действуют две силы, одинаковые по модулю и разные по знаку. Они создают момент, который разворачивает диполь по линии напряженности поля (но этому препятствует тепловое хаотич. движение). В результате – приблизительная ориентация диполей вдоль поля. На поверхности Д. – заряд, внутри диполи компенсируют друг друга.

Поляризация неполярных Д. – в отсутствие поля –центры «+» и «-» зарядов совпадают. При внесении в поле – на «+» и «-» частицы действуют силы, направленные в противоположные стороны. Молекула растягивается и центры «+» и «-» зарядов расходятся. Молекула становится диполем.

Диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью ε– во сколько раз уменьшается напряженность эл.поля в однородном диэлектрике.

Сегнетоэлектрики - диэлектрики с очень большой диэлектрической проницаемостью.