1.2. Напряженность электрического поля

Взаимодействие заряженных частиц друг с другом осуществляется посредством электромагнитного поля. Это означает, что:

а) заряженные частицы создают в окружающем пространстве электромагнитное поле;

б) на заряженную частицу действует электромагнитное поле, существующее в данной точке пространства в данный момент времени.

Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного. Действие электрического поля на заряженную частицу не зависит от ее скорости, а действие магнитного поля пропорционально скорости частицы. Источниками электрического поля служат любые заряженные частицы, магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Свойства полей полностью описываются системой четырех релятивистски инвариантных уравнений Максвелла.

Электрическое поле является векторным полем, которое описывается векторной функцией. В общем случае поле характеризуется физическими величинами, принимающими различные значения в разных точках пространства. В каждой точке пространства, в которой существует электрическое поле, на электрические заряды, помещенные в это поле, действуют силы, пропорциональные этим зарядам. 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. Для разных точек поля можно составить аналогичные отношения, то есть величиной подобного отношения можно количественно характеризовать электрическое поле в любой его точке.

Для измерения характеристик поля обычно пользуются малым положительным пробным зарядом q , который не искажает исследуемое поле источников собственным полем (то есть при внесении q источники изучаемого поля не смещаются).

Напряженность поля – векторная величина

Е = F / q = ,

являющаяся силовой характеристикой электрического поля, которая показывает какая сила F действует на единичный положительный заряд q_пр. В СИ напряженность электрического поля Е измеряется в Н · Кл или В · м .

Наиболее важное свойство электрических сил (гравитационных тоже), заключается в том, что сила взаимодействия двух зарядов не изменяется при наличии третьего, четвертого и т.д. зарядов. Данное свойство позволяет определять силовое воздействие целой системы зарядов на любой другой заряд путем непосредственного наложения воздействия отдельных зарядов системы по правилу сложения векторов. Принцип наложения или принцип суперпозиции полей заключается в следующем: результирующая напряженность в данной точке поля равна геометрической сумме векторов напряженностей полей, созданных отдельными зарядами в той же точке:

Е = Е₁ + Е₂ +…+ E .

1.3. Силовые линии электрического поля

Напряженность поля – вектор. Кроме величины, поле характеризуется направлением силы, определяющей направление вектора напряженности поля Е и действующей на положительный пробный заряд, под действием которой пробный заряд будет перемещаться вдоль определенной траектории, в зависимости от его положения в поле – вдоль силовой линии или линии напряженности поля. Электростатическое поле графически наглядно изображается с помощью силовых линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности в данной точке поля.

Силовые линии указывают направление поля, то есть направление результирующей силы, действующей на пробный заряд. Каждая силовая линия – это линия, вдоль которой малый пробный заряд перемещается под действием электрического поля. В каждой точке силовой линии касательная к ней совпадает с направлением результирующей сил притяжения и отталкивания со стороны всех других зарядов, действующих на пробный заряд. На рис. 4 показаны графические изображения электрического поля для некоторых случаев:

а) поле уединенного положительного заряда;

б) поле уединенного отрицательного заряда;

в) поле одинаковых по величине зарядов разных знаков;

г) поле различных по величине зарядов разных знаков;

д) поле одинаковых по величине зарядов одинаковых знаков.

Рис. 4

Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках пространства, называется однородным. Силовые линии напряженности электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности непрерывны и не пересекаются. Силовые линии гуще там, где напряженность поля больше.