5.3 Электростатическое поле. Напряженность поля

Всякий заряд изменяет свойства окружающего его пространства, создает в нем электрическое поле. Для исследования этого поля можно использовать другие заряды, называемые в этом случае пробными.

Если в данную точку пространства вносить разные по величине пробные заряды, то и силы, действующие на них, будут разными. Но отношение силы к величине пробного заряда будет величиной постоянной для данной точки поля. Эта величина называется напряженностью электрического поля, это силовая характеристика поля.

. (5.2)

Напряженность численно равна силе, действующей на единичный, положительный – заряд, помещенный в данную точку поля. Определение напряженности поля показывает, что направление вектора напряженности электростатического поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Размерность напряженности в системе СИ:

.

В соответствии с формулами (5.1) и (5.2) следует, что напряженность поля точечного заряда пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки поля:

, (5.3)

где – единичный вектор, показывающий направление вектора напряженности. Из уравнения (5.3) следует, что вектор направлен вдоль радиальной прямой, проходящей через заряд и данную точку поля, от заряда, если он положителен, и к заряду, если он отрицателен.

Сила, действующая на пробный заряд со стороны электростатического поля равна , и на любой заряд, находящийся в электрическом поле с напряженностью будет действовать сила .

Если электростатическое поле создается не одним, а несколькими зарядами, то каждый заряд создает свое собственное поле независимо от присутствия других зарядов. Поэтому поле системы зарядов будет действовать на пробный заряд с результирующей силой, равной равнодействующей всех сил, действующих от каждого заряда в отдельности

. (5.4)

Напряженность поля, созданного несколькими зарядами, равна геометрической сумме векторов напряженности полей, созданных каждым зарядом в отдельности.

Рисунок 5.2

Это принцип суперпозиции и независимости полей. На рисунке 5.2 представлен случай суперпозиции полей, созданных двумя положительными зарядами.

Принцип суперпозиции позволяет вычислить напряженность поля любой системы зарядов. Разбив протяженные заряды на достаточно малые доли , любую систему зарядов можно свести к совокупности точечных зарядов. Вклад каждого из таких зарядов в результирующее поле вычисляется по формуле (5.3).

Рисунок 5.3

Электрическое поле можно изображать с помощью силовых линий – это линии, касательная к которым в любой точке поля совпадает по направлению с вектором напряженности (см. рисунок 5.3). Густота силовых линий выбирается так, чтобы число силовых линий, пронизывающих единицу поверхности площадки, перпендикулярной к силовым линиям, равнялось значению вектора напряженности , т.е., по картине силовых линий можно судить о направление и величине вектора в разных точках пространства (см. рисунок 5.3).

Силовые линии электростатического поля точечного заряда (положительного и отрицательного изображены на рисунке 5.4). Также на рисунке 5.4 изображены силовые линии поля, созданного двумя зарядами.

Рисунок 5.4

Таким образом, силовые линии электростатических полей могут начинаться или заканчиваться на зарядах либо уходить в бесконечность. Электростатические поля бывают однородные и неоднородные. Однородными называются поля, вектор напряженности которых во всех точках поля одинаков по величине и направлению. Такие поля изображаются параллельными силовыми линиями.