Электричество и магнетизм

Заряды между собой складываются алгебраически, то есть учитываются их знаки: плюс или минус. Например, у нас имеется два заряда: первый имеет заряд q

= – 4 Кл, а другой q

= + 6 Кл. При их слиянии образуется третий заряд: q

=( – 4) + (+ 6) = +2 (Кл).

В изолированной системе, то есть в которую не могут войти другие электрические заряды, а имеющиеся не могут выйти выполняется закон сохранения электрических зарядов. Если взять предыдущий пример, то в замкнутой системе было два заряда с общим зарядом +2 Кл, так и после их слияния образуется один заряд, но все равно с зарядом +2 Кл.

Для качественного определения наличия электрического заряда на предмете служит электроскоп (рисунок 6а). Он состоит из металлического шарика соединенного с металлическим стержнем. На другом конце металлического стержня прикреплены две одинаковые полоски бумаги. Для того чтобы исключить внешнее влияние, например, колебания воздуха, вся конструкция через токоизолирующее кольцо помещена в стеклянную банку. При сообщении шарику электроскопа заряда от какого-либо предмета происходит заряжение бумажных полосок (рисунок 6б). Так как они заряжаются одинаковыми по знаку зарядом, то они расходятся на некоторый угол. Чем больше угол отклонения бумажных полосок, тем больший заряд был передан структуроскопу.

Если электроскоп снабдить градуировочной шкалой (то есть шкалой градуированной на измерение количества электрического заряда.), то он будет называться электрометр (рисунок 7б). Электрометр в переводе с греческого языка обозначает прибор для количественного определения заряда.

Рисунок 6. Электроскоп

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/f/f7/Els_ind_elskop.svg/1024px-Els_ind_elskop.svg.png (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/thumb/f/f7/Els_ind_elskop.svg/1024px-Els_ind_elskop.svg.png)

В этой главе мы рассмотрим свойства электрического поля при неподвижных зарядах. Свойствами электрического поля при неподвижных зарядах изучает подраздел темы «Электричество» называемый – электростатикой.

Рисунок 7. Электрометр. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/ElectroscopeSimple.png (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/16/ElectroscopeSimple.png)

Свойства электрического поля

Рассмотрим электрическое поле точечного неподвижного заряда. Здесь имеется в виду, что геометрические размеры его малы или они не имеют значения.

Вокруг покоящегося электрического заряда всегда существует электрическое поле. Его порой называют электростатическим, подчеркивая, что это электрическое поле покоящегося заряда. Значение поля характеризуется физической величиной называемой напряженностью электрического поля.

Количественно величина напряженности электрического поля в данном месте пространства определяется силой, действующей на единичный заряд, расположенный в этой точке.

Поэтому напряженность электрического поля называют силовой характеристикой электрического поля. Напряженность электрического поля измеряется специальным прибором (рисунок 8) Обозначается напряженность электрического заряда заглавной буквой Е, имеет размерность Н/Кл (Ньютон деленное на Кулон). Напряженность электрического поля – величина векторная, поэтому к ней применимо правило векторного сложения величин (смотрите «Физика для начинающих. I часть Механика без формул»).

Вокруг точечного заряда электрическое поле распределено равномерно и величина его зависит от расстояния от него до конкретной точки пространства. Равномерность распределения поля в пространстве означает, что его величина не зависит от направления, а определяется только расстоянием.

На какое расстояние оно распространяется в пространстве? В принципе электрическое поле заряда распространяется на бесконечное расстояние. Практически его распространение определяется точностью измерения прибора, который замеряет наличие электрического поля. То есть после некоторого расстояния от заряда поле в этой точки настолько мало, что измерить существующими средствами измерения это невозможно сделать.

Рисунок 8. Измеритель напряженности электрического поля ТМ – 190

https://opt-1328854.ssl.1c-bitrixcdn.ru/upload/resize_cache/iblock/459/355_290_1/459429b2f918da484efbcdd06984f.jpg?155402187425500 (https://opt-1328854.ssl.1c-bitrixcdn.ru/upload/resize_cache/iblock/459/355_290_1/459429b2f918da484efbcdd06984f699.jpg?155402187425500)

На рисунке 9 представлено графическое изображение электрического поля точечного заряда. Оно изображается силовыми линиями. Для положительного заряда это прямые линии, радиально расходящиеся из точечного заряда (рисунок 9а). Для отрицательного заряда электрическое поле графически изображается силовыми прямыми линиями входящие в заряд (рисунок 9б). Силовыми эти линии называются потому, что совпадают с направлением сил взаимодействия электрических зарядов между собой. (смотрите следующий параграф)

Рисунок 9. Изображения электрического поля точечных зарядов

Закон Кулона

Закон Кулона определяет силу взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами. Сила взаимодействия пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Этот закон похож на закон всемирного тяготения: массы заменены на электрические заряды. Закон всемирного тяготения характеризует гравитационное поле, а электрические заряды описываются законом Кулона. Из этого закона можно определить напряженность электрического поля точечного заряда в любой точке пространства. Напряженность поля в какой-либо точке пространства пропорциональна величине заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от заряда до данной точки. Напряженность поля уменьшается с увеличением квадрата расстояния. Например, с увеличением расстояния в три раза, напряженность поля уменьшается в девять раз. Поэтому все точки пространства равноудаленные от точечного заряда будут иметь одинаковую напряженность. В пространстве это будут концентрические сферы с центром в точечном заряда. На плоскости листа книги линии одинаковой напряженности представляют концентрические окружность с центром в заряде (рисунок 10). С увеличением расстояния напряженность будет уменьшаться. На рисунке 10 это уменьшение графически выражается уменьшением их плотности (расстояние между линиями электрического поля возрастает).

Рисунок 10. Графическое изображение точек поля точечного заряда с одинаковой напряженностью

Принцип суперпозиции для электрических полей

Рассмотрим для определенности два положительных электрических заряда q

и q

находящиеся на расстоянии а между собой (рисунок 11). Найдем напряженность электрического поля в точке А, расположенной на расстоянии b и с соответственно до первого и второго зарядах.

В соответствии с принципом суперпозиции (независимости) действия электрических полей поле каждого заряда независимо от других зарядов создает в точке А свою напряженность.

Пусть это будут напряженности Е

от первого заряда и Е

от второго заряда. Зная направления силовых линий от точечных зарядов изобразим векторы напряженностей зарядов в точке А и сложим их векторно по правилу параллелограмма. Получим, что напряженность в точке А от двух данных зарядов будет Е

как векторная сумма векторов напряженности Е

и Е

.

Рисунок 11. Определение напряженности от двух положительных точечных зарядов

На рисунке 12 представлено результирующая напряженность от положительного заряда +q

отрицательного заряда (–q

).

Рисунок 12. Определение напряженности от двух разноименных точечных зарядов