Что является источником электрического поля

Физика. 10 класс

Заряженные тела и частицы, которые кратко называют зарядами, взаимодействуют друг с другом. Это подтверждают многочисленные опыты, а закон Кулона позволяет определить силы взаимодействия неподвижных точечных зарядов. Но что является причиной подобного взаимодействия, каков его механизм?

Первым, кто догадался, что «тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состояние напряжения», был выдающийся английский учёный Майкл Фарадей (1791–1867). Обобщая результаты собственных исследований, проведённых с 1832 по 1852 г., Фарадей ввёл в физику новое понятие — поле. Он рассматривал поле как материальную среду, которая является посредником при любых взаимодействиях удалённых друг от друга тел.

По современным представлениям, электрический заряд наделяет окружающее пространство особыми физическими свойствами — создаёт электрическое поле. Этот заряд называют источником поля и часто обозначают символом Q. Основным свойством электрического поля является его действие некоторой силой на внесённый в него заряд. Иначе говоря, заряды не действуют друг на друга непосредственно. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством создаваемых ими полей.

Так, например, при взаимодействии неподвижных электрических зарядов электростатическое поле заряда q₁ действует некоторой силой на заряд q₂, а поле заряда q₂ действует на заряд q₁. Эти взаимодействия передаются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме . По мере удаления от заряда-источника поле ослабевает.

Электростатическое поле — поле, создаваемое неподвижными относительно используемой инерциальной системы отсчёта электрическими зарядами.

Электростатическое поле существует в пространстве, окружающем неподвижные заряды, неразрывно с ними связано и не изменяется со временем. Силу, которой поле действует на вносимый в него электрический заряд, называют электрической силой или кулоновской силой.

Чтобы исследовать электростатическое поле, создаваемое зарядом Q, в него помещают 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 должен быть точечным, чтобы можно было исследовать поле в малых областях пространства. Пробный заряд может быть как положительным, так и отрицательным.

Отметим, что свойство электрического поля воздействовать некоторой силой проявляется не только в точке, в которой находится пробный заряд q₀. Это свойство присуще всем точкам поля, создаваемого зарядом Q.

Используя пробный заряд q₀, можно количественно охарактеризовать электростатическое поле, создаваемое любым заряженным телом, указав модуль и направление силы, действующей на заряд q₀ в любой точке поля.

Сравните гравитационное и электростатическое взаимодействия тел. Заполните таблицу в тетради.

Вопрос	Взаимодействие
	гравитационное	электростатическое
Между какими телами возможно?
Каков характер?
Зависит ли от среды?
Что является источником?
Каков знак источника?
Как велика интенсивность?
Как можно определить модуль сил?
Для каких тел справедливы законы?

Из истории физики

По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием со времён Ньютона. Он писал, что «надо иметь могучий дар научного предвидения, чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами». Фарадей создал концепцию электромагнитного поля, основанную на конечной скорости распространения любых взаимодействий. Математическую завершённость идее Фарадея придал его гениальный соотечественник и преемник Джеймс клерк Максвелл (1831–1879).

1. Какие факты подтверждают существование электрического поля?

2. Какое поле называют электростатическим?

3. Каковы основные особенности электростатического поля?

Глава 12. Электростатика. Электрический заряд и электростатическое поле

§12.1. Электрический заряд как источник электрического поля

Для человеческого сознания проще всего воспринимать окружающую действительность как совокупность тел, занимающих место в пространстве. Исходя из этих представлений, естественно думать, что основным предметом электростатики являются электрические заряды, точнее, заряженные тела. На самом деле, это не так. Объектом изучения электростатики является электрическое поле. В рамках курса общей физики сведения непосредственно об электрических зарядах элементарны и не выходят за пределы знаний, полученных ещё в средней школе. Перечислим их.

Электрический заряд  особое свойство некоторых тел, благодаря которому они вступают друг с другом в электростатическое взаимодействие. Понятно, что это определение с точки зрения формальной логики никуда не годится, поскольку нет независимого определения электростатического взаимодействия. Можно дать другое: электрический заряд  особое свойство некоторых тел, благодаря которому сверкает молния и гремит гром.

Существует электрический заряд двух видов. Для математического удобства их назвали положительным (+) и отрицательным () зарядами.

Заряд  это скалярная физическая величина, то есть её можно измерять количественно. Единица измерения в СИ  кулон [Кл]. Существует как положительный, так и отрицательный элементарные заряды е (е=1,610 -19 Кл). Это значит, что в природе не встречается зарядов, абсолютная величина которых была бы меньше е.

В окружающем нас мире носителем элементарного отрицательного заряда является электрон е — , масса покоя которого т_е=9,110 -31 кг, а носителем элементарного положительного заряда является протон р + , масса покоя которого т_р=1,6710 -27 кг. Как известно, протоны входят в атомные ядра химических элементов, обеспечивая их положительный заряд. Электроны в количестве, необходимом для компенсации заряда ядра образуют электронные оболочки электрически нейтральных атомов. Таким образом, из протонов и электронов состоит всё окружающее нас вещество. Но очень редко в нашем мире также встречаются частицы, имеющие массу протона и отрицательный элементарный заряд, и частицы, имеющие массу электрона и положительный элементарный заряд. Те и другие образуют атомы антивещества, ядра которых отрицательны, а атомные оболочки положительны. Соответственно и названия частиц  антиэлектрон и антипротон. По каким-то причинам природа не допустила равноправия частиц и античастиц в нашем мире: античастицы возникают у нас очень редко и их всегда гораздо меньше чем частиц. Если бы было равноправие, то наш мир не смог бы существовать даже доли секунды: при сближении частиц и античастиц их неудержимо тянет друг к другу, и в результате столкновения происходит аннигиляция, то есть обе сталкивающиеся корпускулы превращаются в излучение, которое не имеет массы покоя. Значит, встреча вещества и антивещества должна была бы привести к взрыву, гораздо страшнее ядерного.

Существует закон сохранения электрического заряда:

количество заряда, то есть алгебраическая сумма всех зарядов, электрически изолированной физической системы является величиной инвариантной не только по отношению к переходам из одной СО в другую, но и по отношению к любым физическим процессам.

Точечным зарядом называется заряд, принадлежащий материальной точке. Точечные заряды в вакууме взаимодействуют в соответствии с экспериментально открытым ещё в 1785 году законом Кулона. Согласно этому закону разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые  отталкиваются.

Рис.12.1

Кулоновское взаимодействие полностью подчиняется III-му закону Ньютона, поскольку силы взаимодействия инаправлены по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, противоположно направлены и равны по модулю.

Последняя формула представляет собой количественное содержание закона Кулона:

сила взаимодействия между точечными зарядами прямо пропорциональна модулю произведения зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В формулу Кулона входит мировая константа ₀=8,8510 -12 единиц СИ, которая называется электрической постоянной вакуума, а выражение , играющее роль коэффициента пропорциональности, называетсяконстантой Кулона k. k=910 9 единиц СИ.

Каждый заряд является источником особого вида материи  электростатического поля.

Вот, собственно, и всё, что можно сказать о заряде.

В нашем курсе часто придется сталкиваться с распределённым по пространству зарядом, подобно тому, как в курсе механики мы сталкивались с распределённой массой. В этом случае роль точечного заряда будет играть дифференциал заряда dq, который в дальнейшем будет называться элементарным зарядом (обратите внимание на другой смысл этого слова по сравнению с определением е). В зависимости от способа пространственного распределения возможны три выражения для элементарного заряда:

в случае непрерывного распределения заряда по объёму:

,

где dV − элементарный объём, занятый зарядом dq, а −объёмная плотность заряда.

в случае непрерывного распределения заряда по поверхности:

,

где dS − элементарная поверхность, занятая зарядом dq, а −поверхностная плотность заряда.

в случае непрерывного распределения заряда по линии:

,

где dl − элементарный отрезок линии, занятый зарядом dq, а −линейная плотность заряда.