Электрическое поле

Лекция 1-2014

Рассматриваемые вопросы:

1. Основные понятия и законы электрического и магнитного полей

1.1. Электромагнитное поле

1.2. Электрическое поле

1.3. Магнитное поле

2. Линейные электрические цепи постоянного тока

2.1. Общие сведения

2.2. Элементы и схемы цепей постоянного тока

2.3. Основные законы цепей постоянного тока

2.4. Мощность в цепях постоянного тока

Основные понятия и законы электромагнитного поля

Электромагнитное поле

Взаимодействие заряженных частиц находящихся на расстоянии друг от друга описывают с помощью понятия поля. Можно говорить, что одна частица создает возле себя поле и о последующим взаимодействии этого поля с другой частицей.

Электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами.

Поведение электромагнитного поля изучает классическая электродинамика, но при больших частотах проявляются квантовые свойства электромагнитного поля. В этом случае классическая электродинамика становится неприменимой и электромагнитное поле описывается квантовой электродинамикой.

Электромагнитное поле неподвижных или равномерно движущихся заряженных частиц неразрывно связано с этими частицами, но при ускоренном движении частиц электромагнитное поле "отрывается" от них и существует независимо в форме электромагнитных волн.

Свойство частицы, определяющее её взаимодействие с электромагнитным полем определяется всего одним параметром называемым зарядом частицы q. Он может быть как положительным, так и отрицательным или равным нулю.

Электрические заряды существуют в природе в виде заряженных частиц. Элементарная отрицательно заряженная частица, с которой нам приходится встречаться в электрических явлениях, называется электроном. Заряд электрона равен 1,6 10–12 Кл.

Электрическое поле

Одним из частных случаев электромагнитного поля является электрическое поле, действие которого обнаруживается через взаимодействие электрических зарядов. Характер этого взаимодействия описывается законом Кулона.

Закон Кулона установлен Ш. Кулоном в 1785 опытным путём с помощью изобретённых им крутильных весов.

Два неподвижных точечных электрических зарядов q₁ и q₂, находящихся в покое в вакууме притягиваются или отталкивают друг от друга (рис. 1.1) с силой, пропорциональной произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

, (1.2.1)

где F – модуль силы взаимодействия двух зарядов (Н);

q₁ – величина первого заряда (Кл);

q₂– величина второго заряда (Кл);

r₁₂ – расстояние между зарядами (м);

ε₀ = 8,85 10^–12 – электрическая постоянная (Кл/(В∙м)).

Рис. 1.1. Взаимодействие точечных зарядов

Характер взаимодействия электрического поля и заряда, находящегося в этом поле, показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Векторы электрического поля и силы, действующей на заряд в этом поле

Пример. Найти силу взаимодействия двух точечных зарядов q₁ = q₂ = 1 Кл, в вакууме находящихся на расстоянии 1 м.

Решение. Согласно формуле закона Кулона сила будет равна

Если взаимодействующие заряды находятся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, то сила взаимодействия уменьшается в ε раз

. (1.2)

Для количественной характеристики электрического поля используют специальную физическую величину – напряженность электрического поля Е.

, (1.3)

где E– вектор напряженности электрического поля, В/м;

F – вектор механической силы, Н;

q – положительный пробный заряд, Кл.

Напряженность электрического поля по направлению совпадает с вектором силы, действующей на положительный заряд (см. рис. 1.2).

Если электрическое поле вызвано одним точечным зарядом q, то напряженность поля можно получить непосредственно из закона Кулона (1.2) путем деления обеих частей равенства на пробный заряд.

(1.4)

Отсюда следует, что если известна напряженность поля в какой-либо точке, то тем самым определена и сила, действующая на электрический заряд, помещенный в эту точку. А именно:

. (1.5)

Пусть Е₁, Е₂,…, E_n – векторы напряженности полей, создаваемых отдельными зарядами в какой-либо точке, тогда напряженность результирующего поля в этой же точке равна их векторной сумме

(1.6)

Данное выражение представляет собой важное свойство

электрического поля, а именно принцип суперпозиции (наложения) электрических полей.

На практике считается, что во всех точках пространства, окружающего заряд, всегда существует электрическая сила, обусловленная присутствием этого заряда. Если в пространстве существуют электрические силы, обнаружи-вающиеся при внесении в него электрических пробных зарядов, то мы говорим, что в нем существует электрическое поле.