Найдем напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом . Для этого возьмем произвольный пробный заряд и поместим его в точку, находящуюся на расстоянии от заряда . Сила, действующую на пробный заряд со стороны заряда , определяется законом Кулона (17.1), (17.2). Поэтому согласно (18.1) имеем

где . Направлен вектор напряженности от заряда , если , и к нему, если .

Пусть поле создается несколькими зарядами … В этом случае его напряженность равна векторной сумме напряженностей тех полей, которые создаются каждым зарядом в отдельности. Действительно, из принципа суперпозиции следует, что на пробный заряд в этом случае действует сила …, где … — силы, действующие на пробный заряд со стороны каждого заряда … Поэтому из (18.1) получаем

где … — напряженности тех полей, которые создавались бы каждым зарядом в отдельности в отсутствие других зарядов. Утверждение (18.3) называется принципом суперпозиции для полей. Формула (18.2) и принцип суперпозиции позволяют вычислить поле, создаваемое любым заряженным телом — с помощью мысленного разбиения его на точечные части и суммирования напряженностей, создаваемых всеми таким частями.

где , а из формулы (17.6) для напряженности поля равномерно заряженной плоскости

где — заряд плоскости, — площадь, — поверхностная плотность зарядов плоскости.

Электрическое поле можно изобразить графически (на современном русском языке — визуализировать) с помощью силовых линий. Силовые линии — это такие воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности в этой точке.

Второй характеристикой электрического поля является его потенциал. Основная идея введения этой величины заключается в следующем. Если электрический заряд перемещается в электрическом поле (созданном другими зарядами), то со стороны поля на него действуют силы, и, следовательно, поле совершает работу. Потенциал поля — это такая функция точки поля , что работа , совершаемая полем над точечным пробным зарядом при его перемещении из точки с радиусом-вектором в точку с радиусом-вектором , равна

(именно в такой последовательности). Из формулы (18.6) следует, что работа, которую совершает поле при перемещении заряда, не зависит от формы траектории, а определяется только начальной и конечной ее точками. В частности, при перемещении тела по замкнутой траектории поле совершает нулевую работу.

Поскольку в формулу (18.6), входит разность потенциалов двух точек поля, потенциал определен с точностью до постоянной. Эту постоянную всегда можно выбрать так, что потенциал любой заданной точки поля можно сделать равным нулю. Как правило, в качестве такой точки выбирают бесконечно удаленную от зарядов точку поля, считая ее потенциал равным нулю. Из формулы (18.6) следует, что потенциал любой точки поля равен отношению работы, которую совершает электрическое поле при перемещении пробного заряда из этой точки в ту точку, потенциал которой выбран равным нулю, к пробному заряду.

Можно доказать, что если поле создается точечным зарядом , то потенциал на расстоянии от заряда при условии, что потенциал бесконечно удаленной точки принят за нуль, равен

Важно отметить, что в формулу (18. 7) входит заряд со знаком (не модуль!), т.е. потенциал поля, создаваемого положительным зарядом, — положительный, отрицательным — отрицательный.

Для потенциалов справедлив принцип суперпозиции: если поле создается несколькими точечными зарядами, то потенциал любой его точке равен алгебраической сумме потенциалов (18.7), создаваемых в этой точке каждым точечным зарядом. Это правило позволяет найти потенциал поля, создаваемого протяженным заряженным телом: нужно мысленно разделить тело на малые («точечные») части, по формуле (18.7) найти потенциал поля, создаваемого каждой такой частью, а затем сложить полученные результаты.

Для решения задач ЕГЭ нужно знать (без вывода) формулу потенциала поля равномерно заряженной сферы. Пусть имеется сфера радиуса , равномерно заряженная зарядом . Тогда потенциал точки поля, расположенной на расстоянии центра сферы, равен

(точка нулевого потенциала выбрана на бесконечности).

Часто в задачах ЕГЭ по физике используется связь напряженности однородного электрического поля и разности потенциалов двух точек поля, лежащих на одной силовой линии. Для нахождения этой связи возьмем положительный пробный заряд , перенесем его из первой точки во вторую вдоль силовой линии и найдем работу, которую совершает при этом электрическое поле. Поскольку поле действует на заряд с постоянной силой , угол между перемещением и этой силой равен нулю (заряд движется вдоль силовой линии), поэтому работа сил поля равна , где — расстояние между исследуемыми точками. С другой стороны, по определению потенциала работа поля равна . Приравнивая эти работы, находим

Подчеркнем, что формула (18.9) справедлива только для однородного поля, а точки 1 и 2 должны лежать на одной силовой линии.

Рассмотрим теперь задачи.

Величина напряженности электрического поля, создаваемого точечным зарядом (задача 18. 1.1), определяется формулой (18.2)

где (ответ 1).

Размерность напряженности электрического поля (задача 18.1.2) можно найти из связи напряженности поля и потенциала (см. формулу (18.9)). А поскольку размерность потенциала в международной системе единиц СИ – вольт, из формулы (18.9) имеем:

где квадратные скобки обозначают размерность (ответ 3).

Для определения напряженности поля используют пробный заряд (см. формулу (18.1)). Однако напряженность (18.1) ни от знака, ни от величины пробного заряда не зависят (задача 18.1.3). Это связано с тем, что сила в (18.1) линейно зависит от пробного заряда , и он сокращается в (18.1). Если взять пробный заряд отрицательным, то направление вектора числителе (18.1) изменится по сравнению со случаем положительного пробного заряда, но отношение будет направлено противоположно вектору , т.е. направление вектора не изменится (ответ 4).

Для нахождения поля, созданного двумя точечными зарядами (задача 18.1.4), используем принцип суперпозиции. Напряженности полей, создаваемых в точке каждым зарядом в отдельности, показаны тонкими векторами и отмечены как и . Поскольку модули этих векторов равны, вектор их суммы направлен вертикально вниз (ответ 4).

По определению силовые линии — это такие воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности в этой точке (задача 18.1.5 — ответ 4).

Поскольку силовые линии поля в задаче 18.1.6 направлены направо, то направо направлен и вектор напряженности в каждой точке. Поэтому направо будет направлен и вектор силы, действующий со стороны этого поля на положительные точечный заряд (ответ 2).

Поскольку все траектории движения заряда I, II и III в задаче 18.1.7 начинаются и заканчиваются в тех же точках, то работа поля над зарядом при его движении по всем трем траекториям одинакова (ответ 4).

Разность потенциалов двух точек однородного электрического поля (задача 18.1.8) найдем по формуле (18.9):

(ответ 1).

Поскольку вектор напряженности электрического поля в любой точке направлен от заряда, то силовые линии поля расходятся радиально, являясь везде прямыми (см.рисунок). Таким образом, правильный ответ в задаче 18.1.9 — 1.

По определению потенциала имеем для работы поля в задаче 18.1.10

(ответ 3).

Силовые линии электрического поля строятся так, что их густота пропорциональна величине поля: чем гуще силовые линии, тем больше величина напряженности. Поэтому в задаче 18.2.1 (ответ 2).

Рисунок в задаче 18.2.2 — тот же самый, что и в предыдущей задаче, однако логика получения ответа совсем другая. Чтобы сравнить потенциалы в точках 1 и 2 перенесем из первой точке во вторую положительный пробный заряд и найдем работу поля. Так как , и если работа положительна, то , если отрицательна — наоборот. Очевидно, работа поля при перемещении положительного заряда из точки 1 в точку 2 положительна. Действительно, стрелки на силовых линиях направлены вправо, следовательно, и сила, действующая на положительный заряд, направлена вправо, туда же направлен и вектор перемещения заряда, поэтому косинус угла между силой и перемещением положителен на всех элементарных участках траектории, поэтому положительна работа. Таким образом (ответ 1), причем этот результат является следствием направления стрелок на силовых линиях, а не переменной густоты силовых линий.

В задаче 18.2.3 используем формулу для потенциала поля точечного заряда. Поскольку потенциал поля обратно пропорционален расстоянию до заряда, создающего поле (см. формулу (18.7)),

(ответ 2). Другими словами, на втрое большем расстоянии от точечного заряда потенциал его поля втрое меньше.

Очевидно, искомая в задаче 18. 2.4 точка, находится между зарядами. В этой точке величины напряженностей полей и , создаваемых каждым зарядом, должны быть равны (см. рисунок). Используя формулу (18.2), получаем

где . Отсюда находим (ответ 3).

Используя принцип суперпозиции для потенциалов и формулу для потенциала поля точечного заряда (18.7), получим для искомой точки (задача 18.2.5)

где . Отсюда находим (ответ 2).

Поскольку все заряды в задаче 18.2.6 одинаковы, то напряженность поля, созданного в центре квадрата каждой парой зарядов, лежащих на одной диагонали, равна нулю. Поэтому равна нулю и напряженность электрического поля, созданного всеми четырьмя зарядами (ответ 2).

В задачах 18.2.7 и 18.2.8 используем принцип суперпозиции. Векторы напряженности полей, создаваемых верхней и нижней пластинами и соответственно показаны на рисунках (левый рисунок относится к задаче 18. 2.7, правый — к 18.2.8). Из этих рисунков следует, что в области II для задачи 18.2.7 и в областях I и III для задачи 18.2.8 векторы и направлены противоположно. А поскольку величина напряженности поля плоскости не зависит от расстояния до нее (формула (18.5)), а заряды плоскостей одинаковы по величине, напряженность суммарного поля в этих областях равна нулю.

Таким образом, правильный ответ в задаче 18.2.7 — 2, в задаче 18.2.8 — 3. Отметим, что полученный результат является приближенным и справедлив в пределе бесконечно больших пластин. Для конечных пластин поле в указанных областях будет малым, но отличным от нуля, причем величина поля будет наибольшей около краев пластин.

По принципу суперпозиции для потенциалов имеем (задача 18.2.9) . Если убрать либо первый, либо второй заряды, то потенциал в исследуемой точке станет равным соответственно или . Отсюда находим (ответ 2).

Согласно формуле (18. 8) потенциал поля в любой точке внутри сферы равен потенциалу на ее поверхности

где . Поэтому правильный ответ в задаче 18.2.10 — 4.

18.3 Электрическое поле — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Вычислять напряженность электрического поля
• Создание и интерпретация рисунков электрических полей

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
  • (С) описать и рассчитать, как величина электрической силы между двумя объектами зависит от их зарядов и расстояния между ними.

Основные термины раздела

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Спросите учащихся, видели ли они фильмы, в которых используется концепция полей как силовых полей . Попросите их описать, как работают такие поля. Опишите, как можно рассматривать гравитацию как поле, которое окружает массу и с которым взаимодействуют другие массы. Объясните, что электрические поля очень похожи на гравитационные поля.

Возможно, вы слышали о силовом поле в научно-фантастических фильмах, где такие поля применяют силы в определенных точках в космосе, чтобы удержать злодея в ловушке или защитить космический корабль от вражеского огня. Концепция поля очень полезна в физике, хотя она несколько отличается от того, что вы видите в кино.

Поле — это способ концептуализации и отображения силы, которая окружает любой объект и действует на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Например, гравитационное поле, окружающее Землю и все другие массы, представляет гравитационную силу, которая возникла бы, если бы в данной точке поля была помещена другая масса. Майкл Фарадей, английский физик девятнадцатого века, предложил концепцию электрического поля. Если вы знаете электрическое поле, то можете легко рассчитать силу (величину и направление), действующую на любой электрический заряд, который вы поместите в поле.

Электрическое поле создается электрическим зарядом и сообщает нам силу на единицу заряда во всех точках пространства вокруг распределения заряда. Распределение заряда может быть одноточечным; распределение заряда, скажем, по плоской пластине; или более сложное распределение заряда. Электрическое поле распространяется в пространстве вокруг распределения заряда. Теперь рассмотрите возможность размещения пробного заряда в поле. Пробный заряд — это положительный электрический заряд, заряд которого настолько мал, что не возмущает существенно заряды, создающие электрическое поле. Электрическое поле действует на пробный заряд в заданном направлении. Приложенная сила пропорциональна заряду пробного заряда. Например, если мы удвоим заряд пробного заряда, сила, действующая на него, удвоится. Математически говоря, что электрическое поле представляет собой силу на единицу заряда, записывается как

18.15

где мы рассматриваем только электрические силы. Обратите внимание, что электрическое поле представляет собой векторное поле, направленное в том же направлении, что и сила, действующая на положительный пробный заряд. Единицы электрического поля N/C.

Если электрическое поле создается точечным зарядом или сферой с однородным зарядом, то величина силы между этим точечным зарядом Q и пробным зарядом определяется законом Кулона

F=k|Qqtest|r2F =k|Qqtest|r2

, где используется абсолютное значение, потому что мы учитываем только величину силы. Тогда величина электрического поля равна

18,16

Это уравнение дает величину электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q . Расстояние r в знаменателе — это расстояние от точечного заряда Q или от центра сферического заряда до интересующей точки.

Если тестовый заряд удалить из электрического поля, электрическое поле все еще существует. Чтобы создать трехмерную карту электрического поля, представьте себе размещение пробного заряда в разных местах поля. В каждом месте измерьте силу, действующую на заряд, и используйте векторное уравнение E→=F→/qtestE→=F→/qtest для расчета электрического поля. Нарисуйте стрелку в каждой точке, где вы поместите пробный заряд, чтобы представить силу и направление электрического поля. Длина стрелок должна быть пропорциональна напряженности электрического поля. Если вы соедините эти стрелки вместе, вы получите линии. На рис. 18.17 показано изображение трехмерного электрического поля, создаваемого положительным зарядом.

Рисунок 18.17 Трехмерное представление электрического поля, создаваемого положительным зарядом.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL]Укажите, что все силовые линии электрического поля берут начало от заряда.

[AL]Обратите внимание, что количество линий, пересекающих воображаемую сферу, окружающую заряд, одинаково независимо от того, какой размер сферы вы выберете. Спросите, могут ли учащиеся использовать это, чтобы показать, что количество силовых линий, пересекающих поверхность на единицу площади, показывает, что напряженность электрического поля уменьшается пропорционально обратному квадрату расстояния.

Простое рисование линий электрического поля в плоскости, пересекающей заряд, дает двумерные карты электрического поля, показанные на рис. 18.18. Слева — электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, а справа — электрическое поле, создаваемое отрицательным зарядом.

Обратите внимание, что силовые линии электрического поля направлены от положительного заряда к отрицательному. Таким образом, положительный пробный заряд, помещенный в электрическое поле положительного заряда, будет отталкиваться. Это согласуется с законом Кулона, согласно которому одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Если мы поместим положительный заряд в электрическое поле отрицательного заряда, положительный заряд притянется к отрицательному заряду. Противоположное верно для отрицательных тестовых зарядов. Таким образом, направление линий электрического поля согласуется с тем, что мы находим, используя закон Кулона.

Уравнение E=k|Q|/r2E=k|Q|/r2 говорит о том, что электрическое поле становится сильнее по мере приближения к заряду, который его генерирует. Например, на расстоянии 2 см от заряда Q ( r = 2 см) электрическое поле в четыре раза сильнее, чем на расстоянии 4 см от заряда ( r = 4 см). Снова взглянув на рис. 18.17 и рис. 18.18, мы видим, что линии электрического поля становятся более плотными по мере приближения к заряду, который их генерирует. На самом деле плотность линий электрического поля пропорциональна напряженности электрического поля!

Рисунок 18.18 Линии электрического поля от двух точечных зарядов. Красная точка слева несет заряд +1 нКл, а синяя точка справа несет заряд -1 нКл. Стрелки указывают направление, в котором будет двигаться положительный пробный заряд. Линии поля сгущаются по мере приближения к точечному заряду.

Карты электрического поля могут быть составлены для нескольких зарядов или для более сложных распределений зарядов. Электрическое поле от нескольких зарядов можно найти, сложив электрические поля от каждого отдельного заряда. Поскольку эта сумма может быть только одним числом, мы знаем, что только одна линия электрического поля может проходить через любую заданную точку. Другими словами, линии электрического поля не могут пересекаться друг с другом.

На рис. 18.19(а) показана двумерная карта электрического поля, создаваемого зарядом + q и соседним зарядом — q . Трехмерная версия этой карты получается путем вращения этой карты вокруг оси, проходящей через оба заряда. Положительный пробный заряд, помещенный в это поле, будет испытывать силу в направлении силовых линий в его местоположении. Таким образом, он будет отталкиваться от положительного заряда и притягиваться к отрицательному заряду. Рисунок 18.19(b) показывает электрическое поле, создаваемое двумя зарядами − q . Обратите внимание, как силовые линии отталкиваются друг от друга и не перекрываются. Положительный пробный заряд, помещенный в это поле, будет притягиваться к обоим зарядам. Если вы находитесь далеко от этих двух зарядов, где далеко означает намного дальше, чем расстояние между зарядами, электрическое поле выглядит как электрическое поле от одного заряда -2 q .

Рисунок 18.19 (а) Электрическое поле, создаваемое точечным положительным зарядом (слева) и точечным отрицательным зарядом той же величины (справа). (б) Электрическое поле, создаваемое двумя равными отрицательными зарядами.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Попросите учащихся интерпретировать карты электрического поля. Где поле сильнее? Где поле слабее? В каком направлении поле увеличивается или уменьшается? Где поле наиболее однородно? Могут ли они проверить, что величина заряда одинакова в данной панели? Чем отличается поле двух отрицательных зарядов от поля положительного и отрицательного зарядов?

Виртуальная физика

Исследование электрического поля

Эта симуляция показывает вам электрическое поле из-за зарядов, которые вы размещаете на экране. Начните с установки верхнего флажка на панели параметров с правой стороны, чтобы отобразить электрическое поле. Перетащите заряды из ведер на экран, перемещайте их и наблюдайте за электрическим полем, которое они образуют. Чтобы более точно увидеть величину и направление электрического поля, перетащите датчик электрического поля или датчик электрического поля из нижнего ведра и перемещайте его по экрану.

Нажмите, чтобы просмотреть содержимое

Два положительных заряда размещены на экране. Какое утверждение описывает электрическое поле, создаваемое зарядами?

1. Постоянно везде.

2. Рядом с каждым зарядом ноль.

3. Между зарядками ноль.

4. Наибольшая сила на полпути между зарядами.

Смотреть физику

Электростатика (часть 2): интерпретация электрического поля

В этом видеоролике объясняется, как рассчитать электрическое поле точечного заряда и как интерпретировать карты электрического поля в целом. Обратите внимание, что лектор использует d для расстояния между частицами вместо r . Обратите внимание, что точечные заряды бесконечно малы, поэтому все их заряды сосредоточены в одной точке. Когда рассматриваются более крупные заряженные объекты, расстояние между объектами должно измеряться между центрами объектов.

Проверка захвата

Верно или неверно — если точечный заряд имеет силовые линии электрического поля, которые указывают на него, заряд должен быть положительным.

1. правда
2. ложно

Рабочий пример

Какова плата?

Посмотрите на рисунок электрического поля на рис. 18.20. Какова относительная сила и знак трех зарядов?

Рисунок 18.20 Карта электрического поля трех заряженных частиц.

Стратегия

Мы знаем, что электрическое поле простирается от положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом. Мы также знаем, что количество силовых линий электрического поля, которые касаются заряда, пропорционально заряду. Заряд 1 имеет 12 полей, выходящих из него. В заряд 2 входит шесть силовых линий. В заряд 3 входит 12 силовых линий.

Решение

Линии электрического поля выходят из заряда 1, так что это положительный заряд. Линии электрического поля проходят через заряды 2 и 3, поэтому они являются отрицательными зарядами. Отношение зарядов равно q1:q2:q3=+12:-6:-12q1:q2:q3=+12:-6:-12. Таким образом, величина зарядов 1 и 3 вдвое превышает величину заряда 2.

Обсуждение

Хотя мы не можем определить точный заряд каждой частицы, мы можем получить много информации из электрического поля относительно величины и знака зарядов. и где сила пробного заряда будет наибольшей (или наименьшей).

Рабочий пример

Электрическое поле от дверной ручки

Дверная ручка, которую можно принять за сферический металлический проводник, приобретает заряд статического электричества q=-1,5 нКл. q=-1,5 нКл. Чему равно электрическое поле на расстоянии 1,0 см от дверной ручки? Диаметр дверной ручки 5,0 см.

Стратегия

Поскольку дверная ручка является проводником, весь заряд распределяется по внешней поверхности металла. Кроме того, поскольку дверная ручка считается идеально сферической, заряд на поверхности распределяется равномерно, поэтому мы можем рассматривать дверную ручку так, как если бы весь заряд был сосредоточен в центре дверной ручки. Справедливость этого упрощения будет доказана в следующем курсе физики. Теперь нарисуйте дверную ручку и определите вашу систему координат. Используйте +x+x, чтобы указать внешнее направление, перпендикулярное двери, с x=0x=0 в центре дверной ручки (как показано на рисунке ниже).

Если диаметр дверной ручки 5,0 см, ее радиус 2,5 см. Мы хотим знать электрическое поле на расстоянии 1,0 см от поверхности дверной ручки, что составляет расстояние r = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см, r = 2,5 см + 1,0 см = 3,5 см от центра дверной ручки. Мы можем использовать уравнение E=k|Q|r2E=k|Q|r2, чтобы найти величину электрического поля. Направление электрического поля определяется знаком заряда, который в данном случае отрицателен.

Решение

Введение заряда Q=-1,5 нКл=-1,5×10-9.

Обсуждение

Похоже на огромное электрическое поле. К счастью, требуется электрическое поле примерно в 100 раз сильнее (3×106 Н/Кл3×106 Н/Кл), чтобы заставить воздух разлагаться и проводить электричество. Кроме того, вес взрослого человека составляет около 70 кг × 9,8 м/с2 ≈ 700 Н70 кг × 9,8 м/с2 ≈ 700 Н, так почему вы не чувствуете силы, действующей на протоны в вашей руке, когда вы тянетесь к дверной ручке? Причина в том, что ваша рука содержит равное количество отрицательного заряда, который отталкивает отрицательный заряд дверной ручки. Из-за поляризации в вашей руке может развиться очень небольшая сила, но вы никогда этого не заметите.

Практические задачи

Какова величина электрического поля на расстоянии 20 см от точечного заряда q = 33 нКл?

1. 7,4 × 10 ³ Н/З
2. 1,48 × 10 ³ Н/З
3. 7,4 × 10 ¹² Н/З
4. 0

Заряд -10 нКл находится в начале. В каком направлении электрическое поле от заряда указывает на х + 10 см?

1. Электрическое поле направлено в сторону от отрицательных зарядов.
2. Электрическое поле указывает на отрицательные заряды.
3. Электрическое поле направлено в сторону положительных зарядов.
4. Электрическое поле направлено в сторону от положительных зарядов.

Проверьте свое понимание

Когда силовые линии электрического поля сближаются, что это говорит вам об электрическом поле?

1. Электрическое поле обратно пропорционально плотности линий электрического поля.
2. Электрическое поле прямо пропорционально плотности линий электрического поля.
3. Электрическое поле не связано с плотностью линий электрического поля.
4. Электрическое поле обратно пропорционально квадратному корню из плотности силовых линий электрического поля.

Если пять линий электрического поля исходят из заряда +5 нКл, сколько линий электрического поля должно исходить из заряда +20 нКл?

1. пять линий поля
2. 10 строк поля
3. 15 строк поля
4. 20 строк поля

Учебник по физике: Линии электрического поля

В предыдущем разделе урока 4 обсуждалась векторная природа напряженности электрического поля. Величина или напряженность электрического поля в пространстве, окружающем заряд источника, прямо пропорциональна количеству заряда на заряде источника и обратно пропорциональна расстоянию от заряда источника. Направление электрического поля всегда направлено в том направлении, в котором положительный пробный заряд будет выталкиваться или тянуться, если его поместить в пространство, окружающее исходный заряд. Поскольку электрическое поле является векторной величиной, его можно представить векторной стрелкой. Для любого заданного места стрелки указывают направление электрического поля, и их длина пропорциональна напряженности электрического поля в этом месте. Такие векторные стрелки показаны на диаграмме ниже. Обратите внимание, что длина стрелок больше, когда они ближе к заряду источника, и меньше, когда дальше от заряда источника.

Более полезным средством визуального представления векторной природы электрического поля является использование силовых линий электрического поля. Вместо того, чтобы рисовать бесчисленные векторные стрелки в пространстве, окружающем заряд источника, возможно, полезнее нарисовать узор из нескольких линий, которые проходят между бесконечностью и зарядом источника. Этот набор линий, иногда называемый линиями электрического поля, указывает направление, в котором положительный пробный заряд ускорился бы, если бы он был помещен на линию. Таким образом, линии направлены от положительно заряженных исходных зарядов к отрицательно заряженным исходным зарядам. Чтобы передать информацию о направлении поля, каждая линия должна включать стрелку, указывающую в соответствующем направлении. Схема линий электрического поля может включать бесконечное количество линий. Поскольку рисование такого большого количества линий снижает удобочитаемость шаблонов, количество линий обычно ограничивается. Наличие нескольких линий вокруг заряда обычно достаточно, чтобы передать характер электрического поля в пространстве, окружающем линии.

Существует множество соглашений и правил рисования таких рисунков линий электрического поля. Условные обозначения просто установлены для того, чтобы образцы линий электрического поля передавали наибольшее количество информации о природе электрического поля, окружающего заряженный объект. Одно общее соглашение состоит в том, чтобы окружить более заряженные объекты большим количеством линий. Объекты с большим зарядом создают более сильные электрические поля. Окружая сильно заряженный объект большим количеством линий, можно передать силу электрического поля в пространстве, окружающем заряженный объект, плотностью линий. Это соглашение изображено на диаграмме ниже.

Мало того, что плотность линий, окружающих любой данный объект, дает информацию о количестве заряда источника заряда, плотность линий в определенном месте в пространстве дает информацию о силе поля в этом месте. Рассмотрим объект, показанный справа. Два разных круглых сечения нарисованы на разных расстояниях от источника заряда. Эти поперечные сечения представляют области пространства ближе и дальше от источника заряда. Линии поля ближе друг к другу в областях пространства, ближайших к заряду; и они расходятся дальше друг от друга в областях пространства, наиболее удаленных от заряда. Основываясь на соглашении относительно линейной плотности, можно было бы сделать вывод, что электрическое поле наибольшее в местах, ближайших к поверхности заряда, и наименьшее в местах, удаленных от поверхности заряда. Плотность линий в структуре линий электрического поля раскрывает информацию о силе или величине электрического поля.

Второе правило рисования линий электрического поля включает в себя рисование силовых линий перпендикулярно поверхностям объектов в местах, где линии соединяются с поверхностями объектов. На поверхности объектов как симметричной, так и неправильной формы никогда не бывает составляющей электрической силы, направленной параллельно поверхности. Электрическая сила и, следовательно, электрическое поле всегда направлены перпендикулярно поверхности объекта. Если бы когда-либо существовала какая-либо составляющая силы, параллельная поверхности, то любой избыточный заряд, находящийся на поверхности исходного заряда, начал бы ускоряться. Это привело бы к возникновению электрического тока внутри объекта; такого никогда не наблюдается в статическое электричество . Как только силовая линия покидает поверхность объекта, она часто меняет свое направление. Это происходит при рисовании линий электрического поля для конфигураций двух или более зарядов, как описано в разделе ниже.

Последнее правило рисования линий электрического поля включает пересечение линий. Линии электрического поля никогда не должны пересекаться. Это особенно важно (и заманчиво нарушить) при рисовании линий электрического поля для ситуаций, связанных с конфигурацией зарядов (как в разделе ниже). Если бы линиям электрического поля когда-либо разрешалось пересекаться друг с другом в заданном месте, вы могли бы представить результаты. Линии электрического поля раскрывают информацию о направлении (и напряженности) электрического поля в области пространства. Если линии пересекаются друг с другом в заданном месте, то должны быть два совершенно разных значения электрического поля со своим индивидуальным направлением в этом заданном месте. Этого никогда не могло быть. Каждое отдельное место в космосе имеет свою собственную напряженность электрического поля и связанное с ним направление. Следовательно, линии, представляющие поле, не могут пересекаться друг с другом в любом заданном месте в пространстве.

В приведенных выше примерах мы видели линии электрического поля для пространства, окружающего отдельные точечные заряды. Но что, если область пространства содержит более одного точечного заряда? Как электрическое поле в пространстве, окружающем конфигурацию из двух или более зарядов, может быть описано линиями электрического поля? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала вернемся к нашему первоначальному методу рисования векторов электрического поля.

Предположим, что в данной области пространства есть два положительных заряда — заряд A (Q _A ) и заряд B (Q _B ). Каждый заряд создает свое электрическое поле. В любом заданном месте, окружающем заряды, напряженность электрического поля можно рассчитать, используя выражение kQ/d ² . Поскольку имеется два заряда, расчет kQ/d ² должен быть выполнен дважды в каждом месте: один раз с kQ _A /d _A ² и один раз с kQ _B /d _B ² (d _A — расстояние от этого места до центра заряда A, а d _B — расстояние от этого места до центра заряда B ). Результаты этих расчетов показаны на диаграмме ниже с векторами электрического поля (E _A и E _B ), нарисованными в различных местах. Сила поля представлена ​​длиной стрелки, а направление поля представлено направлением стрелки.

Поскольку электрическое поле является вектором, к электрическому полю можно применить обычные операции, применимые к векторам. То есть их можно добавлять в прямом порядке для определения результирующего или результирующего вектора электрического поля в каждом месте. Это показано на диаграмме ниже.

На приведенной выше диаграмме показано, что величина и направление электрического поля в каждом месте представляют собой просто векторную сумму векторов электрического поля для каждого отдельного заряда. Если выбрано больше мест и процесс рисования E _A , E _B и E _net повторяется, тогда будут известны напряженность и направление электрического поля во множестве мест. (Этого не делается, так как это очень трудоемкая задача.) В конце концов, линии электрического поля, окружающие конфигурацию наших двух зарядов, начнут проявляться. Для ограниченного числа точек, выбранных в этом месте, можно увидеть начало рисунка силовых линий электрического поля. Это изображено на диаграмме ниже. Обратите внимание, что для каждого местоположения векторы электрического поля касаются направления линий электрического поля в любой заданной точке.

Построение силовых линий электрического поля таким образом является утомительной и громоздкой задачей. Использование компьютерной программы для построения полевых графиков или лабораторной процедуры дает аналогичные результаты за меньшее время (и с большей затратой времени). Каким бы ни был метод, используемый для определения паттернов линий электрического поля для конфигурации зарядов, общая идея состоит в том, что паттерн является результатом паттернов отдельных зарядов в конфигурации. Образцы линий электрического поля для других конфигураций заряда показаны на диаграммах ниже.

На каждой из вышеприведенных диаграмм отдельные заряды источника в конфигурации обладают одинаковым количеством заряда. Имея одинаковое количество заряда, каждый источник заряда имеет равную способность изменять окружающее его пространство. Следовательно, картина носит симметричный характер, и количество линий, исходящих от исходного заряда или идущих к исходному заряду, одинаково. Это усиливает обсуждавшийся ранее принцип, согласно которому плотность линий, окружающих любой заданный исходный заряд, пропорциональна количеству заряда на этом исходном заряде. Если количество заряда на заряде источника неодинаково, картина приобретет асимметричный характер, так как один из зарядов источника будет иметь большую способность изменять электрическую природу окружающего пространства. Это показано на рисунках линий электрического поля ниже.

После построения линий электрического поля для различных конфигураций заряда можно предсказать общие закономерности для других конфигураций. Существует ряд принципов, которые помогут в таких предсказаниях. Эти принципы описаны (или переописаны) в списке ниже.

• Линии электрического поля всегда проходят от положительно заряженного объекта к отрицательно заряженному объекту, от положительно заряженного объекта до бесконечности или от бесконечности к отрицательно заряженному объекту.
• Линии электрического поля никогда не пересекаются.
• Линии электрического поля наиболее плотны вокруг объектов с наибольшим количеством заряда.
• В местах, где линии электрического поля встречаются с поверхностью объекта, линии перпендикулярны поверхности.
•  

В Уроке 4 подчеркивалось, что концепция электрического поля возникла, когда ученые пытались объяснить действие на расстоянии, происходящее между заряженными объектами. Впервые понятие электрического поля было введено 19 в.физик 19 века Майкл Фарадей. Фарадей считал, что узор из линий, характеризующих электрическое поле, представляет собой невидимую реальность. Вместо того, чтобы думать с точки зрения воздействия одного заряда на другой заряд, Фарадей использовал концепцию поля, чтобы предположить, что заряженный объект (или массивный объект в случае гравитационного поля) влияет на окружающее его пространство. Когда другой объект входит в это пространство, на него воздействует поле, установленное в этом пространстве. С этой точки зрения видно, что заряд взаимодействует с электрическим полем, а не с другим зарядом. Для Фарадея секрет понимания действия на расстоянии заключается в понимании силы заряда-поля-заряда. Заряженный объект посылает свое электрическое поле в пространство, идущее от «тянущего к шкиву». Каждый заряд или конфигурация зарядов создает сложную паутину влияния в окружающем его пространстве. Хотя линии невидимы, эффект очень реален. Таким образом, когда вы практикуете построение линий электрического поля вокруг зарядов или конфигурации зарядов, вы делаете больше, чем просто рисуете извилистые линии. Скорее, вы описываете наэлектризованную паутину пространства, которая будет притягивать и отталкивать другие заряды, входящие в нее.

Посетите:  Зарядите цель  | Линии электрического поля

Используйте свое понимание, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Несколько рисунков линий электрического поля показаны на диаграммах ниже. Какие из этих шаблонов неверны? _________ Объясните, что не так со всеми неправильными диаграммами.

2. Эрин Агин нарисовала следующие линии электрического поля для конфигурации из двух зарядов. Что Эрин сделала не так? Объяснять.

3. Рассмотрите линии электрического поля, показанные на диаграмме ниже. Из диаграммы видно, что объект А — это ____, а объект В — это ____.

4. Рассмотрим линии электрического поля, нарисованные справа для конфигурации из двух зарядов.