Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Принцип суперпозиции полей. Работа сил электростатического поля

Вокруг неподвижного заряда возникает электрическое поле. О природе электрического поля можно сказать следующее:

  • • поле материально; оно существует независимо от нас и наших знаний о нем;
  • • поле обладает определенными свойствами, которые не позволяют его спутать с чем-либо другим в окружающем мире;
  • • главное свойство поля - действие его на электрические заряды с некоторой силой.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Характеристикой электрического поля является напряженность.

Напряженность поля - векторная величина, ее обозначают буквой Ё:

Напряженность поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду.

Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Вектор напряженности в любой точке электрического поля направлен вдоль прямой, соединяющей эту точку и заряд. Если q0 >-0, то напряженность направлена от заряда. Если q0 -<0, то напряженность направлена к заряду (рис. 3.7)

Рис. 3.7

Принцип суперпозиции полей

Если в данной точке пространства различные заряженные частицы (рис. 3.8) создают электрические поля, напряженности которых Ё2 и т.д., то результирующая напряженность поля в этой точке равна

Ё = Ё, +Ё2+....

Рис. 3.8

Силовые линии электрического поля (линии напряженности) - это непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через которую они проходят, совпадают с векторами напряженности (рис. 3.9).

Рис. 3.9

Силовые линии электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных (рис. 3.10).

зло

Рис. зло

Густота силовых линий больше вблизи заряженных тел, где напряженность поля также больше.

Работа сил электрического поля

Так как на заряд q в электрическом поле, напряженность которого Ё, действует сила F = qE, то при движении заряда в этом поле совершается определенная работа.

Рис. 3.11

На рисунке 3.11 положительный заряд q перемещается в однородном поле напряженностью Е из точки В в точку С по траектории ВС. Сила F совершает работу А = Fscosa, где а — угол между направлениями векторов силы F и перемещения s. Если в эту формулу вместо F подставить qE, то получим А = qEscosa. На рисунке 3.11 scosa = d, где d- проекция перемещения заряда на направление вектора напряженности поля. Отсюда А = qEd. Пусть теперь заряд q переместился по траектории В КС из В в С. Работа будет равна сумме работ, совершенных на отдельных перемещениях и s^: А = qEscosa! + qEs2cosa2, или А = qE^SiCosctx + s2cosa2). Из рисунка 3.11 видно, что s^os^ + s2cosa2 = d. Отсюда А = qEd. И когда заряд перемещается от В к С по криволинейной траектории, тогда А = qEd.

Работа по перемещению заряда в однородном электрическом поле не зависит от формы траектории заряда. Она определяется только положением начальной и конечной точек траектории [6].

На рисунке 3.12 положительный заряд q, помещенный в электрическое поле разноименно заряженных пластин, перемещается от первой пластины ко второй по траектории ВаС. Так как направления векторов F и s совпадают, то А = qEd.

Рис. 3.12

Если этот же заряд переместится из точки С в точку В по траектории СЬВ, то полем совершится отрицательная работа А = —qEd, так как угол между векторами силы и перемещения равен 180°. При перемещении заряда по замкнутой траектории работа поля равна нулю.

Аналогия движения частиц в электростатическом и гравитационном полях

В механике были введены такие физические величины, как перемещение, сила, работа силы, потенциальная энергия и т.д. Эти величины можно использовать при описании любого фундаментального взаимодействия, включая электромагнитное. В однородном гравитационном поле Земли при перемещении частицы на расстояние h вдоль g работа силы тяжести равна Л = mgh (рис. 3.13).

В однородном электростатическом поле при перемещении положительного заряда на расстоянии h вдоль линии напряженности совершается работав = qEh (рис. 3.14).

Если qE=mg, то движение заряженной части в однородном электростатическом поле аналогично ее движению в однородном гравитационном поле.

Рис. 3.13

Рис. 3.14

Ускорения частиц, движущихся в гравитационном и электростатическом полях, совпадают при напряженности электростатического поля Е = Одинаково зависят от расстояния между телами силы гравитационного и электростатического взаимодействия. Направлены эти силы по прямой, соединяющей тела.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряженной частицы из одной точки в другую не зависит от формы траектории, а зависит лишь от начального и конечного положения частицы [2].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >