Образовака🌡️ Физика10 классОсновы электродинамики

Поле точечного заряда

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 79.

Конфигурация электрического поля определяется распределением зарядов. Поэтому самый простой вид электрического поля — это поле точечного заряда. Кратко рассмотрим строение такого поля.

Описание поля с помощью силовых линий

Проявление электрического поля состоит в возникновении силы, действующей на заряды, внесенные в это поле. Поскольку эта сила зависит от величины заряда, то характеристикой поля является специальный параметр — напряженность, которая равна отношению этой силы к величине пробного заряда:

$$\overrightarrow E = {\overrightarrow F \over q}$$

Рис. 1. Напряженность электрического поля.

Для полного описания электрического поля необходимо знать модуль и направление вектора напряженности в любой точке.

Чтобы наглядно представить картину электрического поля, удобно нарисовать много векторов напряженности в рассматриваемой области. При этом векторы сольются в непрерывные линии. Такие линии называются силовыми линиями электрического поля, они всегда начинаются на положительном заряде, а заканчиваются на отрицательном. Информацию о модуле векторов в точке можно видеть из густоты этих линий.

Поле точечного заряда

Поскольку поле порождается электрическим зарядом, простейшим является поле точечного заряда. Строго говоря, в природе точечных зарядов нет: носителями заряда являются реальные элементарные частицы или тела, которые всегда занимают какой-то объем. Однако, если рассматриваемая область гораздо больше величины носителя заряда, то такой заряд с известной долей приближения можно считать точечным.

Сила, действующая на заряд, определяется формулой закона Кулона, известной в 10 классе:

$$F =k {q_1q_2 \over R^2}$$

Напряженность такого поля, следовательно, равна:

$$E = {F \over q}=k{q \over R^2}$$

Она направлена по прямой, лежащей между зарядами. Следовательно, для того чтобы изобразить поле точечного заряда, необходимо помещать в различные точки пространства вокруг этого заряда пробный заряд и откладывать вектор кулоновской силы в этих точках.

Поскольку других зарядов в рассматриваемой ситуации нет — только точечный и пробный (он тоже точечный, с гораздо меньшей величиной) — то вектор силы, действующей на пробный заряд, будет всегда направлен по прямой, проходящей через исходный точечный заряд. Если таких векторов будет много, они сольются во множество радиальных линий.

При этом заметим, что по закону Кулона сила, действующая на пробный заряд, с увеличением расстояния падает. То есть густота силовых линий по мере удаления от точечного заряда должна уменьшаться. Для радиальных линий это так и есть.

Таким образом, электрическое поле точечного заряда представляет собой множество радиальных линий, расходящихся во все стороны от заряда. Если заряд положительный, то линии выходят из него, и уходят в бесконечность. Если заряд отрицательный — линии приходят из бесконечности в заряд.

Отметим, что описанный принцип построения силовых линий используется не только когда поле однородно, но и для полей, потенциал которых распределен в пространстве по сложному закону. В любом случае находятся векторы сил, действующих на пробный заряд, и по этим векторам строятся силовые линии. Поскольку на пробный заряд действуют сразу все рассматриваемые поля, для нахождения результирующей силы используется принцип суперпозиции полей (результирующая сила, действующая на пробный заряд, равна векторной сумме сил каждого отдельного поля, действующего на этот заряд).

Например, если рядом находятся два разноименных заряда, то картина электрического поля выглядит следующим образом:

Что мы узнали?

Электрическое поле изображается в виде картины силовых линий. Их направление совпадает с направлением вектора напряженности, а густота характеризует его модуль. Электрическое поле точечного заряда представляет собой множество радиальных линий, выходящих из заряда и уходящих в бесконечность.