Электрическое поле.

Все заряженные тела имеют вокруг себя электрическое поле. Электрическое поле - особый вид материи, способствующий взаимодействию заряженных частиц. Данную материю открыл Майкл Фарадей. Электрическое поле определенных зарядов не изменяется без изменения величины самого заряда. Электрическое поле схематически обозначается линиями со стрелочками. Вокруг положительного заряда стрелочки направлены от него, вокруг отрицательного - к нему. Линий электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Если два одноименных заряда находятся на некотором расстоянии друг от друга, то их линии пересекаются и замыкаются. Если же взаимодействуют два одноименных заряда, то силовые линии отталкиваются.

Интенсивность электрического поля – это физическая величина, которая определяется отношением силы к величине пробного заряда. Данная величина называется напряженностью. Вычисляется по формуле: . Напряженность - это векторная физическая величина, она зависит от направления силы и знака пробного заряда. Вектор напряженности всегда направлен от положительного заряда к отрицательному. Измеряется в СИ [Н/Кл] или [В/м]. Если пробный заряд находится не в вакууме, а в некоторой среде, то нужно учитывать диэлектрическую проницаемость среды: .

Напряженность поля точечного заряда равна: . Вектор электрического поля точечного заряда в любой точке направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд.

Чем дальше пробный заряд находится от рассматриваемого заряженного тела, тем меньшая сила на него действует. Значит, напряженность электрического поля становится меньше по мере отдаления от заряженного тела. Электрическое поле показывают с помощью специальных линий, которые называются линиями напряженности поля.

Сила взаимодействия между зарядами является консервативной, так как не зависит от траектории движения заряда. Эта сила выполняет работу, которая определяется только начальным и конечным положением тела. При этом, как и любая работа консервативных сил, если траектория перемещения - замкнутая линия, то работа равна нулю:

Потенциальная энергия электрического поля равна: , где d – расстояние от заряда до нулевого уровня потенциальной энергии.

Можно заметить, что практически вся теория электродинамики достаточно сильно напоминает механику. Вспомним потенциальную энергию тела: . Она зависит от массы, высоты и ускорения свободного падения. Можно провести аналоги. Основным и главным отличием потенциальной энергии материальных точек от энергии зарядов являются граничные значения. Потенциальная энергия заряженных тел увеличивается с уменьшением расстояния между зарядами и стремится к нулю, когда заряды удаляют на бесконечность.

Потенциальная энергия поля пропорциональна величине рассматриваемого заряда. Величина, являющая коэффициентом пропорциональности, называется потенциалом электрического поля: , где W_p – энергия заряда в данной точке. Потенциал измеряется в Вольтах (В).

Если напряженность - это силовая характеристика имеющегося поля, то потенциал является его энергетической характеристикой. Если учесть, что разность потенциальных энергий - это работа силы электрического поля, получим: , где

- разность потенциалов электрического поля в двух точках,

А – работа электрического поля по перемещению заряда из точки 1в точку 2.

Разность потенциалов называют напряжением электрического поля: . Если некоторый заряд удаляют на бесконечное расстояние, то напряжение такого поля равно начальному потенциалу.

Для того, чтобы изменить потенциал поля необходимо совершить работу по перемещению заряда: .

Для наглядного понимания того, что такое потенциалы и их изменения, используют эквипотенциальные поверхности. Это поверхности, которые расположены перпендикулярно к силовым линиям. На всей такой поверхности значение потенциала одинаково. Чем дальше эквипотенциальная поверхность находится от заряда, тем меньше там потенциал.

Для того, чтобы определить общую напряженность, которую создают несколько зарядов, необходимо воспользоваться принципом суперпозиций, который был получен благодаря знаниям из динамики. Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел: .

Для определения напряженности, создаваемой некоторым количеством зарядов в данной точке, необходимо найти векторную сумму напряженностей каждого заряда: .

Общий потенциал в точке равен алгебраической сумме всех потенциалов поля, которое создает в отдельности каждый заряд. .