Закон Кулона я излагать не буду, ограничусь рисунком 1.
Смотрите рисунок 1. Вокруг каждого из зарядов существует электрическое поле. Что это такое? Это совокупность свойств пространства , окружающего заряды. Электрическое поле существует вокруг любого заряда. Есть заряд, есть и поле. Исчезает заряд, исчезает и поле. Изменяется заряд, изменяется и его поле. В чём оно проявляется? В воздействии на другие заряды и тела, их содержащие, в соответствии с законом Кулона. У электрического поля могут быть и другие проявления, в частности, оно может изменять оптические свойства тел, но мы об этом здесь речь вести не будем.
Какие главные характеристики электрического поля? Напряжённость и направление его воздействия. Что такое напряжённость электрического поля? Учёные условились заряд определённой величины считать единичным. Смотрим заряд А создаёт электрическое поле. Оно изображено красным. В поле находится точка B. Если в точку B поместить единичный разряд, заряд А будет воздействовать на него. Сила этого воздействия и есть напряжённость электрического поля заряда А в точке B. Точка С находится дальше от заряда А, чем точка B. Если поместить единичный заряд в точку С, заряд А будет на него действовать с меньшей силой (в соответствии с законом Кулона). Соответственно и напряжённость поля заряда А в точке С меньше. Что даёт знание напряжённости поля? Допустим, мы знаем напряжённость поля заряда А в какой то точке. Поместим в эту точку произвольный заряд. Если мы знаем его величину, то есть во сколько раз он больше или меньше единичного заряда, мы можем легко вычислить силу, с которой на него будет действовать заряд А. Напряжённость поля - величина векторная, она имеет направление. Заряд А либо притягивает другой заряд по направлению к себе (если заряды противоположного знака), либо отталкивает в направлении от себя (если заряды одного знака). За направление напряжённости электрического поля принимают направление силы, действующей на положительный заряд.
Исходя из того, как нарисованы стрелки на рисунке 2-4, сообразите, заряд А положительный или отрицательный?
отрицательный
Допустим, есть несколько зарядов, скажем, два, А и В. Каждый создаёт своё поле, со своей напряжённостью. Какова суммарная напряжённость поля этих двух зарядов в точке С ? Она определяется так же, как сумма нескольких сил в механике, по правилу параллелограмма. На рисунке 3 напряжённость поля выражена в виде длины стрелки, (в отличие от рисунков 1 и 2). Иными словами, чем длиннее стрелка, тем больше напряжённость. Жёлтая стрелка показывает суммарную напряжённость полей двух зарядов.
А если зарядов не два, а больше, как определить суммарную напряжённость их полей?
Вычисляем суммарную напряжённость у двух зарядов, затем складываем её с напряжённостью третьего заряда и так далее.
Если электрическое поле действует на проводник, скажем, на металл, что в нём происходит? В проводнике имеются заряды, которые могут по нему свободно перемещаться. В металле это свободные электроны. Если внешнего электрического поля нет, они распределены по металлу равномерно, так же, как и атомы, от которых эти электроны оторвались (то есть положительные ионы). Поместим наш кусок металла в электрическое поле. Под его действием электроны сразу начнут перемещаться - возникнет электрический ток. Они будут двигаться, пока поле, ими создаваемое, не уравновесит внешнее поле. То есть во всех точках проводника напряжённость электрического поля, создаваемого сдвинувшимися зарядами, будет равна и направлена противоположно напряжённости внешнего поля. Чему будет равна сумма этих полей? Нулю. Таким образом, внутри проводника электрическое поле отсутствует. В диэлектриках подвижных зарядов нет. Поэтому, если имеется внешнее поле, оно есть и внутри диэлектрика. Однако в диэлектрике есть малоподвижные заряды - электроны, ядра атомов. Поле на них тоже воздействует, хотя далеко сместиться они не могут. Деление веществ на проводники и диэлектрики условно. Есть вещества, которые не отнесёшь ни к тем, ни к другим - полупроводники. Внутри их внешнее поле ослабляется.
Поле на чертежах изображают в виде линий со стрелками. Это я не сам рисовал, в интернете нашёл. Поле расположено в пространстве, а на рисунках изображают сечение этого пространства. Такие рисунки называют электрическими картами.
Каждую линию на таких рисунках можно представить как множество точек. В каждой точке направление линии (а точнее, направление касательной к линии) совпадает с направлением поля.
Густота расположения линий пропорциональна напряжённости поля. Вот на "точечный" заряд и линии его поля. Чем дальше от заряда, тем расстояние между линиями больше. Но чем дальше от заряда, тем и его поле слабей! Разберём этот вопрос поподробнее. Допустим, линии расходятся от заряда равномерно в разные стороны пространства. Тогда на расстоянии R от заряда их густота будет равна площади поверхности шара K (с радиусом R), делённой на число линий. А на расстоянии R1 площади поверхности шара K1 (с радиусом R1), делённой на число линий. Из математики известно, что площадь шара пропорциональна R2. А густота линий обратно пропорциональна ей. Мы имеем такую же закономерность, как в законе Кулона. То есть густота линий уменьшается с расстоянием от заряда так же, как и напряжённость поля.
В каждой точке пространства, где действует поле, можно провести линию поля, но только одну, то есть линии поля не пересекаются. Почему?
Потому что поле в каждой точке определённое и по модулю и по направлению. Допустим, через точку проходят две линии. Тогда у поля два направления, чего не может быть.
Линии поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. (Извиняюсь, на рис. 8 я это условие нарушил). Они проходят сквозь диэлектрики. Внутри же проводников нет электрического поля, линии поля начинаются и заканчиваются на их поверхности.
Линии электрического поля направлены перпендикулярно поверхности проводника. Почему?
Потому если бы линии входили или выходили из проводника наклонно, напряжённость поля в точках входа (выхода) имела бы составляющую, направленную вдоль поверхности проводника. И под действием этой составляющей заряды в проводнике перемещались бы, пока поле не стало бы таким, что его линии входили в проводник перпендикулярно.
Рассмотрим с помощью рисунка с линиями поля явление индукции. Допустим, у нас есть замкнутая металлическая полость (представьте себе коробку с толстыми стенками). Вот она на рис. 9 в разрезе. Полость у нас не заряженная, то есть у неё столько же положительных зарядов, сколько отрицательных.
Поместим внутрь её положительно заряженый шар. (Для простоты я не стал рисовать ни крышку в полости, через которую можно ввести шар, ни другие детали.) В теле полости у нас сразу перераспределятся заряды (электроны). Ближе к внутренней поверхности полости образуется Электроны переместятся настолько, что создаваемое ими поле будет точно компенсировать поле шара. Но каков заряд, таково и поле! Или каково поле, таков и заряд. То есть этот отрицательный заряд в полости будет равен по модулю и противоположен заряду шара. А ближе к внешней поверхности шара, откуда электроны "убежали", там образуется , равный по модулю отрицательному, а значит равный заряду шара. То есть заряд шара полностью "передался" полости. Говорят так: в полости был индуцирован заряд, равный заряду шара. Однако посмотрите на линии поля. Все они начинаются на шаре и заканчиваются на полости.
Допустим, полость у нас не замкнутая, а как на рис. 9-2, в виде чаши. Часть линий поля выходит из неё, заканчивается на других телах (проводниках, на диэлектриках линии не заканчиваются, а проходят сквозь них. ). Опять же суммарный индуцированный заряд всех этих тел, включая полость (и положительный, и отрицательный (по модулю)), буден равен заряду шара.
А если нету поблизости никаких тел, куда тогда эти линии уходят?
Ну, если не поблизости, где-то в нашей вселенной всё равно найдутся тела, где закончатся наши линии. Поле от нашего шарика там сойдет на нет, но всё равно будет иметь место из предыдущего параграфа.
Продолжение (урок 2) На домашнюю страницу