Электростатическое поле

                                   Электростатическое поле

    При исследовании взаимодействия электрических зарядов возникают вопросы о том, почему появляются силы, действующие на заряды, и как они передаются от одного заряда к другому. В процессе развития физики существовало два подхода к ответу на эти вопросы. Одни ученые полагали, что силовые действия между отдельными телами можно объяснить присутствием промежуточных звеньев, передающих действие, т.е. наличием какой-либо среды, окружающего тела, в которой действие передается от точки к точке с конечной скоростью. Эта теория получила название теории близкодействия.

      Сторонники другой теории (теории  дальнодействия) полагали, что действие  передается мгновенно на сколько угодно большие расстояния, при этом промежуточная среда может отсутствовать вовсе. Так, например, эта теория предполагала, что один заряд мгновенно «ощущает» присутствие другого. Это значит, что с изменением положения одного из зарядов сила, действующая на другой заряд, мгновенно изменяется, но ни в окружающем пространстве, ни с этим другим зарядом никаких изменений не происходит.

      Английские ученые, сначала Фарадей,  а затем Максвелл, убедительно  доказали справедливость теории  близкодействия. Согласно этой теории  электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в окружающем пространстве особую материальную среду – электрическое поле.  Поле одного заряда действует на другой и наоборот. Величина поля убывает по мере удаления от заряда. Любое изменение  электрического поля распространяется с огромной, но конечной скоростью. В вакууме эта скорость равна скорости света (300,000 км/с). Электрическое поле, как и любой другой вид поля, - это не отвлеченное понятие, которым пользуется физики для объяснения взаимодействия тел. Электрическое поле существует реально, так же как и вещество, и является одним из видов материи.

         Любой электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле. Это поле влияет как на заряженные тела (между ними появляются силы взаимодействия), так и на незаряженные.

        Необходимо отметить, что механизм  взаимодействия между зарядами и полем до сих пор неизвестен, но этим взаимодействием можно пользоваться для обнаружения наличия поля в пространстве. Если электрическое поле создается неподвижными  зарядами и не изменяется со временем, то его называют электростатическим. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Напряженность – силовая характеристика

электростатического поля

   Основное свойство электростатического поля состоит в том, что электрические заряды, находящиеся в нем, действует некоторая сила. Поэтому обнаружить поле в заданной точке пространства можно при помощи заряда, внесенного в эту точку. Но внесенный заряд должен быть точечным и столь малым, чтобы его присутствие не исказило существующего до него поля. Такой заряд называют пробным.

     Количественной характеристикой силового действия электрического поля на заряженные частицы и тела служит векторная  величина Е – напряженность электрического поля.¹

     Электростатическое поле представляет собой стационарное (не изменяющее с течением времени) электрическое поле.  Если электрическое поле создается точечным зарядом q0, то его легко определить непосредственно из закона Кулона:  E= --- = R -- = ----

Поле  точечного заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от заряда. Рис.1                                                

рис.1  рис.2

Следует отметить, что в случае поля, созданного точечным зарядом, величина пробного заряда не играет никакой роли. В более общем случае, когда поле создается протяженного заряженными телами, внесение заряда может вызывать перераспределение зарядов, создающих поле, и таким образом, внесенный заряд исказит это поле. Именно поэтому величина пробного заряда должна быть достаточно мала.

    При наложении полей отдельных  зарядов они не влияют друг  на друга. Таким образом, электростатическое поле в каждой точке пространства есть векторная величина, определяемая распределением имеющихся зарядов.

     Для наглядности качественной картины  распределения электростатического поля в пространстве вводят понятие силовых линий поля (или линий напряженности). Силовой линией электростатического поля называют линию, касательная к которой в каждой точке пространства совпадает с направлением напряженности в этой точке. Рис.2

     Силовыми  линиями приписывают определенное направление, совпадающее с направлением вектора напряженности в каждой точке. Поскольку в каждой точке  поля вектор напряженности имеет  однообразное направление, то силовые  линии нигде не пересекаются.

     Реально силовых линий не существует, они введены для качественного описания распределения поля. Однако их можно сделать «видимыми». Если в стеклянную кювету, заполненную вязкой жидкостью, насыпать продолговатые кристаллики какого-либо диэлектрика (например, крупинки манки), то вблизи заряженных тел эти кристаллики аналогично стрелочке ориентируется определенным образом вдоль поля. Это позволяет «увидеть» расположение силовых линий в пространстве.

Рис.3

     Силовые линии электростатического  поля не замкнуты. Они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Линии поля непрерывны и не пересекаются, так как их пересечение означало бы отсутствие определенного направления напряженности электростатического поля в данной точке.  Относительную величину напряженности поля, условились на схематических картинах поля силовые линии проводить с определенной густотой, так как по густоте силовых линий можно качественно судить об относительной величине напряженности поля. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                Проводники в электростатическом поле.

   Как уже отмечалось, в проводниках  имеется большое количество заряженных  частиц (свободных зарядов), которые  движутся хаотически. Под действием  электрического поля свободные  заряды начинают двигаться упорядочено.

     В отсутствии электрического  поля заряды распределяются только  на поверхности проводника.

     Равновесие распределения зарядов  в полом проводнике будет таким  же, как и в сплошном проводнике, т.е. заряды будут только на внешней поверхности. Напряженность поля будет равна нулю в любой точке  внутри стенок и в любой точки внутри полости. Заряды в состояния равновесия распределяются на поверхности проводника всегда, независимо от того, каким образом они возникли.

     Для того чтобы оградить чувствительные электрические приборы от возмущающего действия внешних электрических полей, их заключают в замкнутые металлические ящики, которые соединяются с землей.

        Замкнутый полый проводник экранирует  только поле внешних зарядов. Если электрические заряды находятся внутри полости, индукционные заряды возникнут не только на внешней поверхности проводника, но и на внутренней. Распределение индуцированных зарядов будет таким, чтобы полное поле, равное сумме полей, создаваемых зарядом внутри полости и индукционными зарядами, в любой точке в толще металла равно нулю. Однако внутри полости поле не будет равно нулю, и здесь будут происходить силовые линии, соединяющее заряд, заключенный в полости, с индукционными зарядами на внутренней поверхности. Индукционные же заряды на внешней поверхности вызовут поле во внешнем пространстве, и поэтому замкнутая проводящая полость не экранирует поле электрических зарядов, помещенных внутри нее. 
 

Закон Кулона, Гаусса и  Пуассона.

      Начало количественного изучения электрических явлений относится к концу XVIII в., когда Кулон (1785г.) установил на опыте закон взаимодействия электрических зарядов.

     Для заряженных тел произвольных  размеров такой закон в общей  форме дать нельзя, так как  сила взаимодействия протяженных тел зависит от их формы и взаимного расположения. Поэтому закон взаимодействия, имеющий общее значение, можно установить только для точечных зарядов.

    Так как электрические заряды  всегда распределены в объеме, то никаких конечных зарядов в математической точке, разумеется, быть не может. Под точечным зарядом в физике всегда понимают протяженное заряженное тело, размеры которого весьма малы по сравнению с расстоянием от других зарядов.

   Чтобы  установить, как зависит сила  взаимодействия от расстояния между зарядами, показывает опыт Кулона изображенный на рис.1 (крутильные весы Кулона).

    Как  известно из Механики, при деформации  кручения угол закручивания пропорционален  моменту крутящей силы; зная, во  сколько раз мы увеличили угол закручивания нити, мы тем самым определяем, во сколько раз увеличился момент силы, а отсюда можно определить и силу, действующую на шарик коромысла. В результате этих опытов Кулон заключил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль линии, соединяющей оба заряда, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами: F~1/r2 .

     Сила взаимодействия между шариками  зависит еще от величины зарядов  шариков.

     Опыты Кулона, конечно, не являются  единственным доказательным справедливости закона обратных квадратов. В настоящее время имеется большое количество других экспериментальных данных, показывающих, что закон Кулона выполняется очень точно и при том, как для очень больших, так и для очень малых расстояний.

Биологическое действие электростатических полей.

       Существование человека в любой  среде связана с воздействием  на него и среду обитания  электромагнитных полей. В случаях  неподвижных электрических зарядов  мы имеем дело с электростатическими полями. При трении диэлектриков на их поверхности появляются избыточные заряды, на сухих руках накапливается электрические заряды, создающие потенциал до 500 вольт. Земной шар заряжен отрицательно так, что между поверхностью земли и верхними слоями атмосферы разность потенциалов составляет 400000 вольт. Это электростатическое поле создает между двумя уровнями, отстоящими на рост человека разность потенциалов, порядка 200, однако человек этого не ощущает, так как хорошо проводит электрический ток и все точки его тела находятся под одним потенциалом.

      Заряды имеет свойство в большой  степени накапливаться на остриях  или телах близких по форме  острием. Вблизи этих острий  создаются высокие электрические поля.

      По этой причине молнии попадают  в высокие зданий для изготовления строительных деталей, производственного оборудования отдельно стоящие объекты (башни, деревья, и .д.) и по этой причине человеку опасно находиться на открытом пространстве во время грозы или  вблизи отдельных деревьев, металлических предметов.

        Наряду с естественными статистическими  электрическими полями в условиях  техносферы и быту человек  подвергается воздействию искусственных статистических электрических полей. Искусственные статистические электрические поля обусловлены возрастающим применением для изготовления предметов домашнего обихода, игрушек, обуви, одежды, для отделки интерьеров жилых и общественных  аппаратуры, инструментов, деталей машин, различных синтетических полимерных материалов, являющихся диэлектриками.

       При трении диэлектрики, в результате  разделения зарядов, на их поверхности могут появляться значительные некомпенсированные положительные или отрицательные заряды . величина заряда определяется видом диэлектрика.

      Электрическим полем от избыточных зарядов на предметах, одежде, теле человека оказывает большую нагрузку на нервную систему человека.  Переменное электрическое поле вызывает нагрев диэлектрика (хрящей, сухожилий