Лекция Электростатическое поле в вакууме

В данном разделе физики рассматриваются законы взаимодействия покоящихся и движущихся зарядов или отдельных заряженных макроскопических тел и основные свойства создаваемых ими электрических и магнитных полей как в вакууме, так и какой либо среде.

В основе этих взаимодействий лежат фундаментальные физические законы, которые установлены благодаря огромному числу опытов. Электродинамика относится к эмпирической области естествознания.

Электродинамика – раздел физики, в котором изучаются законы электромагнитного поля.

Электростатика – теория электростатического поля неподвижных электрических зарядов.

В природе существует два рода электрических зарядов. По современным представлениям, электрический заряд явля­ется физической величиной, определяющей интенсивность элект­ромагнитных взаимодействий.

Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие между электрически заряженными частицами или макроскопическими заряженными телами. Рассмотрение электромагнитных взаимо­действий основывается на концепции близкодействия (взаимодей­ствие между заряженными частицами или телами распространя­ется с конечной скоростью, равной скорости света). В вакууме эта скорость составляет 3  10⁸ м/с.

В природе существуют частицы с электрическими зарядами противоположных знаков. Заряд электрона считают отрицатель­ным, а заряд протона - элементарной частицы, которая входит в состав ядра атома, - положительным. Большинство тел элек­трически нейтрально; число электронов в них равно числу прото­нов. Нейтрален атом любого вещества. Если нарушить каким-то образом электрическую нейтральность тела, то оно становится наэлектризованным. Тело заряжено отрицательно – значит, оно имеет избыток электронов. Тело, в котором электронов меньше, чем положительно заряженных частиц, заряжено положительно.

При электризации электрический заряд изменяется не не­прерывным и произвольным образом, а только на строго опре­деленное значение, равное или кратное минимальному коли­честву электричества, называемому элементарным электричес­ким зарядом.

Наименьшая по массе стабильная частица, обладающая эле­ментарным электрическим отрицательным зарядом, называется электроном. Заряд электрона е =1,6 10^-19 Кл. Масса электрона m_е = 9,l10^-31 кг. Заряд протона положителен и по модулю равен заряду электрона, его масса т_р= 1,67 10^-27 кг. Заряд тела, состоящего из N заряженных частиц, кратен целым значениям заряда электрона: Q= ± Ne. Элементарный заряд впервые был измерен Р. Э. Милликеном в 1909 г.

Существуют ли дробные заряды? Это предположение возник­ло в связи с предсказанием существования кварков — частиц, из которых построено большинство тяжелых элементарных частиц, например протонов. Заряд кварков предполагали равным ±е, ±²/₃е. Поиски кварков проводились многими учеными различ­ными методами, но все они дали отрицательный результат. Таким образом, в настоящее время экспериментально с большой точностью установлено, что дробных зарядов в свободном состоя­нии не существует.

Значение заряда, измеряемое в различных инерциальных си­стемах отсчета, всегда одинаково и не зависит от того, движется он или покоится.

Электрически изолированной системой называется система тел или частиц, если между ней и внешними телами нет обмена электрическими зарядами.

Электростатическое поле – поле неподвижных электрических зарядов.

Электростатические силы – силы, действующие на заряды со стороны электростатического поля.

Суммарный заряд электрически изолированной системы не из­меняется. Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма электрических зарядов тел, образующих электрически изолированную систему, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе:

= const. (1.1)

Силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов подчиняются основному закону электростатического взаимодействия, открытого Кулоном, и часто называются кулоновскими.

Закон Кулона

Сила электростатического взаимодействия двух точечных зарядов, находящихся в вакууме, прямо пропорциональна произведению этих зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами и направлена вдоль соединяющей их прямой.

. (1.2)

Рис. 1.1.

В системе СИ k = 1/4₀ = 910⁹ (Нм²)/Кл²,

где ₀ = 8,8510^-12 (Кл²)/Нм² = 8,8510^-12 Ф/м – электрическая постоянная. В системе СГС (гауссовой системе единиц) k = 1 (безразмерный коэффициент).

Удобно считать, что заряды распределены в заряженном теле непрерывно. Введем следующие понятия.

Линейная плотность электрических зарядов

, где dq – заряд малого участка длиной dl.

Поверхностная плотность электрических зарядов

, где dq – заряд участка поверхности площадью ds.

Объемная плотность электрических зарядов

, где dq – заряд малого элемента тела объемом dV.

Согласно представлениям современной физики, электрическое поле - это особая форма материи, обладающая специфическими физическими свойствами. Главным из них является следующее: на электрические заряды, помещенные в это поле, действуют силы, пропорциональные этим зарядам. Электрическое поле от­дельного заряда можно обнаружить, если в пространство, окру­жающее этот заряд Q, внести другой заряд. Обычно для исследования свойств поля пользуются положительным зарядом, который называют про­бным и обозначают q_пр. При этом считают, что пробный заряд не искажа­ет изучаемого поля, т. е. пренебрегают его со­бственным полем. На про­бный заряд, помещенный в какую-либо точку поля, создаваемого зарядом Q, действует сила со стороны поля.

Если в одну и ту же точку поля вносить раз­ные заряды Q₁, Q₂, Q₃, ..., то на них будут действовать разные силы F₁, F₂, F₃, но отношение F₁/Q₁ = F₂/Q₂ = F₃/Q₃ для этой точки поля всегда будет постоянным.

Отношение

назы­вают напряженностью электрического поля. Она равна отношению силы , действующей со стороны поля на неподвижный точечный пробный электрический заряд, помещенный в рассматриваемую точку поля, к этому заряду.

Напряженность - величина векторная. За направление век­тора напряженности принимают направление силы, с которой поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля.

Напряженность - силовая характеристика поля. Сила, действующая со стороны электрического поля на помещенный в него произвольный точечный заряд

.

Напряженность электрического поля точечного заряда в вакууме

.

Электрическое поле графически удобно представлять силовы­ми линиями. Силовыми линиями или линиями напряженности называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности в данной точке поля.

Линии напряженности электростатического поля никогда не могут быть замкнуты сами на себя. Они имеют обязательно начало и конец, либо уходят в бесконечность. Это свидетельствует о наличии в природе двух родов элект­рических зарядов. Условились считать, что линии напряженности электрического поля направлены от положительного заряда к от­рицательному, т. е. выходят из положительного, а входят в от­рицательный заряды.

Линии напряженности никогда не пересекаются. Пересечение линий означало бы отсутствие определенного направления век­тора напряженности электрического поля в точке пересечения. Густотой линий напряженности характеризу­ют напряженность поля. В местах, где напряженность поля меньше, линии проходят реже.

Электрическое поле, во всех точ­ках которого напряженность поля одинакова по модулю и направлению (=const), называют однородным. Примером такого поля могут быть электрические поля равномерно заряженной плоскости и плоского конденсатора вдали от краев его обкладок.