Электрическое поле

Основной закон электростатики — закон Кулона — позволяет вычислить силу взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме.
В любой другой среде сила взаимодействия заряженных тел неизбежно уменьшается, так как проявляется эффект поляризации. В однородной изотопной среде уменьшение силы пропорционально определённой величине, характерной для данной среды. Эту величину называют диэлектрической постоянной. Другое название – диэлектрическая проницаемость. Обозначают её символом ε (табл.).
Учитывая данный параметр, коэффициент пропорциональности принимает вид
И закон Кулона можно записать следующим образом:
Диэлектрическая постоянная воздуха очень близка к 1. Поэтому закон Кулона в воздушном пространстве проявляется так же как в вакууме.

Данный закон, однако, ничего не говорит нам о том, каким образом осуществляется это взаимодействие.
Опыт показывает, что электрические заряды действуют друг на друга даже в отсутствие между ними вещества, то есть в вакууме.
Долгое время в науке преобладала теория дальнодействия.

Близкодействие и действие на расстоянии
Дальнодействие: действие осуществляется без участия какого бы то ни было посредника и мгновенно передается от одного тела к другому.
Близкодействие: всякое действие от одного тела к другому передается с конечной скоростью от точки к точке через среду, которую мы не наблюдаем.

Теория близкодействия
(М.Фарадей,1791 – 1867)
Неподвижный заряд q1
Создает
Электрическое поле
Действует на
Другой заряд q2
Создает
Действует на

Электрическое поле
Близкодействие
Идея: М. Фарадей (англ.)
Теория: Дж. Максвелл (англ.)
+
+
t – время передачи электромагнитных взаимодействий
r – расстояние между зарядами
с – скорость распространения электромагнитных взаимодействий ( 300 000 км/c)
q1
q2

Электрическое поле
Электрическое поле – это вид материи, окружающей электрические заряды, и проявляющейся в действии на эти заряды.
Поле, созданное покоящимися электрическими зарядами называется электростатическим.

Свойства электрического поля:
порождается электрическими зарядами;
обнаруживается по действию на заряд;
действует на заряды с некоторой силой.
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.

Напряженность электрического поля

Направление напряженности электрического поля

Силовые линии
Для наглядного изображения электрического поля используют силовые линии.
Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называются силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля.
При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
E1 > E2 > E3

Принцип суперпозиции полей
-
+
+q
M
1
2

Принцип суперпозиции полей
-
+
+q
1
2

Свойства силовых линий электрического поля
Густота линий пропорциональна модулю напряженности.
Силовые линии непрерывны.
Начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных зарядах.
Силовые линии не пересекаются.

Напряженность поля точечного заряда:
Напряженность – силовая характеристика электрического поля.

Напряженность поля точечного заряда:

Поле равномерно заряженной плоскости
Поверхностная плотность заряда может меняться от участка к участку.
Но если на любом участке плоскости поверхностная плотность заряда одинакова (σ = const, т. е. заряд распределён равномерно), то плоскость называется равномерно заряженной.
Вектор напряжённости поля равномерно заряженной плоскости перпендикулярен плоскости;
он направлен от плоскости, если плоскость заряжена положительно, и к плоскости, если плоскость заряжена отрицательно

Однородное электрическое поле
Электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства, называется однородным электрическим полем.

Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Вещество, внесенное в электрическое поле, может существенно изменить его, т.к. оно состоит из заряженных частиц.
Полное электрическое поле складывается в соответствии с принципом суперпозиции из внешнего поля и внутреннего поля создаваемого заряженными частицами вещества.
Вещество многообразно по своим электрическим свойствам.
Наиболее широкие классы вещества составляют проводники и диэлектрики.

Основная особенность проводников – наличие свободных зарядов, которые участвуют в тепловом движении и могут перемещаться по всему объему проводника. Типичные проводники – металлы, свободные заряды - электроны.
В проводнике, внесенном в электрическое поле, происходит перераспределение свободных зарядов, в результате чего на поверхности проводника возникают нескомпенсированные положительные и отрицательные заряды. Этот процесс называют электростатической индукцией, а появившиеся на поверхности проводника заряды – индукционными зарядами.
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
Полное электростатическое поле внутри проводника равно нулю.

Все внутренние области проводника, внесенного в электрическое поле, остаются электронейтральными.
Если удалить некоторый объем, выделенный внутри проводника, и образовать пустую полость, то электрическое поле внутри полости будет равно нулю.
На этом основана электростатическая защита.
Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Проводники и диэлектрики в электрическом поле

Виды поляризации
Проводники и диэлектрики в электрическом поле
ориентационная
электронная
ионная

Ориентационная поляризация полярного диэлектрика
Ориентационная или дипольная поляризация возникает в случае полярных диэлектриков, состоящих из молекул, у которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
Такие молекулы представляют собой микроскопические электрические диполи – нейтральную совокупность двух зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку, расположенных на некотором расстоянии друг от друга.
Дипольным моментом обладает, например, молекула воды, а также молекулы ряда других диэлектриков (H2S, NO2 и т. д.).
Поляризация полярных диэлектриков сильно зависит от температуры, так как тепловое движение молекул играет роль дезориентирующего фактора.

Электронный или упругий механизм проявляется при поляризации неполярных диэлектриков.
Под действием электрического поля молекулы неполярных диэлектриков деформируются – положительные заряды смещаются в направлении вектора Е, а отрицательные – в противоположном направлении.
В результате каждая молекула превращается в электрический диполь, ось которого направлена вдоль внешнего поля.
На поверхности диэлектрика появляются нескомпенсированные связанные заряды, создающие свое поле направленное навстречу внешнему полю
Так происходит поляризация неполярного диэлектрика.
Ориентационная поляризация неполярного диэлектрика

Деформация неполярных молекул под действием внешнего электрического поля не зависит от их теплового движения, поэтому поляризация неполярного диэлектрика не зависит от температуры.
Примером неполярной молекулы может служить молекула метана CH4.
У этой молекулы четырехкратно ионизированный ион углерода C4– располагается в центре правильной пирамиды, в вершинах которой находятся ионы водорода H+.
При наложении внешнего электрического поля ион углерода смещается из центра пирамиды, и у молекулы возникает дипольный момент, пропорциональный внешнему полю.

Ионная поляризация
В случае твердых кристаллических диэлектриков наблюдается так называемая ионная поляризация, при которой ионы разных знаков, составляющие кристаллическую решетку, при наложении внешнего поля смещаются в противоположных направлениях, вследствие чего на гранях кристалла появляются связанные (нескомпенсированные) заряды.
Примером такого механизма может служить поляризация кристалла NaCl, в котором ионы Na+ и Cl– составляют две подрешетки, вложенные друг в друга.
Во внешнем электрическом поле обе подрешетки смещаются в противоположных направлениях, т. е. кристалл поляризуется.

Электронная поляризация