Электрическое поле. Напряжённость электрического поля

На прошлых уроках мы с вами познакомились с опытами Кулона, которые позволили ему определить силу, с которой взаимодействуют два неподвижных точечных заряда, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга. Однако остался нерешённым ещё один вопрос: каким образом заряды взаимодействуют друг с другом? Сам Кулон считал, что заряды действуют друг на друга напрямую через пустоту и мгновенно. То есть смещение одного из зарядов моментально изменяет его силу взаимодействия с соседними зарядами.

Идея о мгновенной передаче взаимодействия без участия какого-либо промежуточного звена была выдвинута ещё Исааком Ньютоном после открытия им закона всемирного тяготения. Последующее изучение Солнечной системы привело к тому, что многие учёные склонялись к мысли о том, что для передачи взаимодействия от одного тела к другому никакие посредники не нужны. Такие представления лежали в основе теории дальнодействия. Она предполагала, что действие одного тела на другое происходит мгновенно на сколь угодно большие расстояния без участия какой-либо среды.

Теория дальнодействия достаточно долгое время была господствующей в физике. Она казалась самой простой и при этом позволяла получать важные результаты, согласующиеся с опытом.

Несмотря на это некоторые учёные придерживались другой, диаметрально противоположной теории — теории близкодействия. Ведь идея о том, что тело может непосредственно действовать там, где его нет, казалась очень сомнительной. А согласно теории близкодействия, действие тел друг на друга на расстоянии всегда должно объясняться присутствием некоторых промежуточных агентов (то есть звеньев или среды), передающих действие от точки к точке.

Иногда передача действия может быть и незаметна. Например, тому, кто не знаком со свойствами воздуха, может казаться, что любой звук (например, автомобильный гудок) воздействует на его уши непосредственно. В действительности же, как мы знаем, в воздухе происходит процесс распространения звуковой волны. Нам не составляет большого труда проследить весь процесс прохождения звука от автомобиля до наших ушей, определить скорость звука и время его распространения.

Многие учёные, сторонники теории близкодействия, для объяснения происхождения гравитационных и электромагнитных сил придумывали невидимые и неосязаемые субстанции или истечения, которые, по их мнению, заполняли всё пространство. Например, ещё в XVII веке известный математик и физик Рене Декарт считал, что всё пространство заполнено мировым (или физическим) эфиром, посредством которого передаются электромагнитные волны (в том числе свет). Размышления эти были подчас остроумны, но обладали немаловажным недостатком — эксперимент их не подтверждал.

Решительный поворот к представлениям близкодействия был начат в XIX веке великим английским учёным Майклом Фарадеем. Он первым догадался, что «тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состояние напряжения». Вместе с идеей близкодействия Фарадеем в науку было введено и понятие о поле как о посреднике, осуществляющем взаимодействие. Однако доказательств существования поля у учёного не было. Успех к теории близкодействия Фарадея пришёл только после изучения электромагнитных взаимодействий движущихся заряженных частиц его гениальным соотечественником и преемником Джеймсом Клерком Максвеллом. Он первым математически доказал, что вокруг движущихся зарядов возникает новая сущность, впоследствии названная электромагнитным полем. А уже после сделал вывод и о реальности существования электрического поля неподвижных зарядов.

Согласно современным представлениям, всякий электрический заряд изменяет определённым образом свойства окружающего его пространства — создаёт электрическое поле.  Самая существенная особенность электрического поля — это его материальность. То есть электрическое поле — это особый вид материи, посредством которой взаимодействуют электрически заряженные тела или частицы.

Даже в вакууме заряженное тело окружено электрическим полем. Мы не можем ни потрогать, ни увидеть это поле, хотя оно реально существует. Электрическое поле проявляет себя в том, что оказывает силовое действие на заряд, помещённый в него. Например, предположим, что у нас есть металлический шар и наша задача выяснить, существует ли вокруг него электрическое поле (то есть обладает он электрическим зарядом или нет). Можно ли это как-либо выяснить? Можно, и вы даже знаете как: поднести к нему маленький незаряженный шарик из металлической фольги. Если он никак не отреагирует на большой шар, то поля нет. Если же шарик притянется, значит большой шар заряжен и посредством электрического поля действует на шарик из фольги.

По действию поля на заряды не только устанавливается присутствие поля, но и изучается распределение его в пространстве и все его характеристики.

Электрическое поле, созданное неподвижным электрическим зарядом, относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчёта мы с вами будем называть электростатическим полем.

Важно запомнить, что электростатическое поле постоянно во времени и создаётся только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано. Если же электрическое поле изменяется с течением времени, то его называют переменным электрическим полем. Многие (хотя и не все) свойства статических и переменных полей совпадают. Поэтому в дальнейшем, говоря о свойствах поля, мы будем называть это поле просто электрическим, если данное свойство в равной мере присуще как статическим, так и переменным полям.

Чтобы исследовать электростатическое поле, создаваемое одним зарядом (Q), в него помещают другой заряд (q₀), называемый пробным.

Под пробным зарядом понимают заряд, модуль которого достаточно мал () и собственное поле не меняет существенно распределения остальных зарядов, создающих исследуемое поле.

Пробный заряд может быть как положительным, так и отрицательным, главное — он должен быть точечным, чтобы можно было исследовать поле в малых областях пространства. Используя пробный заряд, можно количественно охарактеризовать электростатическое поле, создаваемое любым заряженным телом, указав модуль и направление силы, действующей на этот заряд. Однако в большинстве случаев удобно пользоваться такой характеристикой электростатического поля, которая не зависит от числового значения пробного заряда. Ею является напряжённость.

Напряжённостью электростатического поля в любой его точке называют физическую векторную величину, характеризующую силовое действие поля на вносимые в него заряды и равную отношению силы, с которой поле действует на пробный заряд, находящийся в выбранной точке, к значению этого заряда:

Из формулы следует, что единицей напряжённости электростатического поля в СИ является Н/Кл. Однако чаще используют другое название этой единицы — В/м. Предлагаем вам самостоятельно доказать, что один ньютон на кулон и один вольт на метр равны.

Напряжённость в любой точке электростатического поля направлена вдоль прямой, соединяющей эту точку и точечный заряд, создающий поле. При этом направление вектора напряжённости поля совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный пробный электрический заряд. То есть если поле создано положительным зарядом, то вектор напряжённости направлен от заряда. Если же поле создано отрицательным зарядом, — то к заряду.

Формула для напряжённости позволяет определить силу, действующую на точечный заряд, помещённый в электростатическое поле. Для примера давайте с вами определим силу, действующую в поле на пробный заряд 35 мкКл, если напряжённость поля в этой точке 286 кН/Кл.

И решим с вами ещё одну задачу. Шарик массой 2 г висит на невесомой и нерастяжимой нити в однородном горизонтальном электрическом поле напряжённостью 150 кВ/м. Определите силу натяжения нити, если заряд шарика 2 мкКл.