Электрическое поле: основные понятия

Электрические заряды не воздействуют непосредственно друг на друга. Согласно современным представлениям, заряженные тела взаимодействуют посредством силового поля, которое создают вокруг себя.

Это силовое поле воздействует на заряженные тела с некоторой силой. Исследовать электрическое поле, которое окружает тело, несущее заряд, можно с помощью пробного заряда, величина которого незначительна. Особенностью электрического поля точечного заряда является тот факт, что оно не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Понятие напряженности электрического поля

Напряжение электрического поля является векторной величиной. Направление вектора $\overrightarrow{E}$ совпадает с направлением силы, которая воздействует на положительный пробный заряд в пространстве.

Напряженность электрического поля

Какое поле называют электростатическим?

Очень часто в контексте темы электростатическое поле будет именоваться электрическим для краткости.

Электрическое поле может быть создано сразу несколькими заряженными телами. Такое поле также можно исследовать с помощью пробного заряда. В этом случае мы будем оценивать результирующую силу, которая будет равна геометрической сумме сил каждого из заряженных тем в отдельности.

Электрическое поле подчиняется принципу суперпозиции.

В кулоновском поле направление вектора $\stackrel{\rightharpoonup }{E}$ зависит от знака заряда $Q$: если $Q>0$, то вектор $\stackrel{\rightharpoonup }{E}$ направлен по радиусу от заряда, если $Q<0$, то вектор $\stackrel{\rightharpoonup }{E}$ направлен к заряду.

Обратимся к иллюстрации. На рисунке для большей наглядности мы используем силовые линии электрического поля. Они проходят таким образом, чтобы направление вектора $\stackrel{\rightharpoonup }{E}$ в каждой из точек пространства совпадало с направлением касательной к силовой линии. Густота силовых линий соответствует модулю вектора напряженности поля.

Рисунок $1.2.1.$ Силовые линии электрического поля.

Мы можем использовать как положительные, так и отрицательные точечные заряды. Оба эти случая мы изобразили на рисунке. Электростатическое поле, которое создается системой зарядов, мы можем представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов. В связи с этим мы можем рассматривать поля точечных зарядов как элементарные структурные единицы любого электрического поля.

Рисунок $1.2.2.$ Силовые линии кулоновских полей.

Кулоновское поле точечного заряда $Q$ удобно записать в векторной форме. Для этого нужно провести радиус-вектор $\overrightarrow{r}$от заряда $Q$ к точке наблюдения. Тогда при $Q>0$ вектор $\overrightarrow{E}$ параллелен $\overrightarrow{r}$, а при $Q<0$ вектор $\overrightarrow{E}$ антипараллелен $\overrightarrow{r}$.

Следовательно можно записать:

$\overrightarrow{E}=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}·\frac{Q}{r^3}\overrightarrow{r}$,

где $r$ – модуль радиус-вектора $\overrightarrow{r}$.

По заданному распределению зарядов можно определить электрическое поле $\overrightarrow{E}$. Такие задачи часто встречаются в таком разделе физики как электростатика. Рассмотрим пример такой задачи.

Даже в таком простом примере вычисления могут быть достаточно громоздкими. Упростить математические расчеты позволяет теорема Гаусса, которая выражает фундаментальное свойство электрического поля.

Рисунок $1.2.4.$ Модель электрического поля точечных зарядов.

Рисунок $1.2.5.$ Модель движения заряда в электрическом поле.

Понятие о диполях

Эта система может послужить нам хорошим примером применения принципа суперпозиции полей, а также электрической моделью многих молекул.

Рисунок $1.2.6.$ Силовые линии поля электрического диполя $\overrightarrow{E}=\overrightarrow{E_1}+\overrightarrow{E_2}$.

Дипольный момент $\overrightarrow{p}$ является одной из наиболее важных характеристик электрического диполя:

$\overrightarrow{p}=\overrightarrow{l}q$,

где $\overrightarrow{l}$ – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному, модуль $\left|\overrightarrow{l}\right|=l$.

Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды $\left(H_{2}O\right)$, так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом $105°$. Дипольный момент молекулы воды $p=6,2·{10}^{–30} Кл · м$.

Рисунок $1.2.7.$ Дипольный момент молекулы воды.