СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

 

ЭЛЕКТРОСТАТИКА

 

 

 

 

Электрические силы очень широко распространены в природе. Весь наш мир построен н электрическом взаимодействии зарядов: атом1 существуют потому, что электроны притягиваются к заряженному ядру, все предметы которыми мы повседневно пользуемся, не распадаются на части, так как отдельные атомы «держатся» вместе за счет тех же электрических сил, и свет — это тоже электромагнитные волны.

 

Сейчас трудно поверить, что 250 лет назад человечество практически ничего не знало об электричестве, кроме нескольких забавных фактов, известных еще из глубокой древности: натертый шерстью янтарь или стекло притягивают легкие обрывки бумаги. Изучение электрических явлений началось в первой половине XVIII в., и к концу этого столетия об электричестве было уже известно достаточно много. Однако научное исследование электричества фактически берет начало с опытов, выполненных Ш. Кулоном, которому с помощью изобретенных им крутильных весов удалось измерить силу взаимодействия электрических зарядов и тем самым заложить основы электростатики. В настоящее время электростатика — это уже классическая область физики с хорошо разработанным математическим аппаратом, идеи которой оказали большое влияние практически на все разделы физики.

 

Электростатика — наука, изучающая взаимодействие неподвижных электрических зарядов,— основывается на трех экспериментальных фактах:

1.В природе существуют два сорта электрических зарядов — положительные и отрицательные заряды.

2.Между двумя точечными зарядами, т. е. зарядами, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними, действует сила, определяемая законом Кулона:

F = 1 .

3.Если есть несколько зарядов, то взаимодействие любых двух из них не зависит от присутствия остальных. Это так называемый принцип суперпозиции.

Все остальное в электростатике является следствием этих трех экспериментальных фактов.

 

 На любой пробный заряд, помещенный вблизи точечного заряда, действуют электрические силы. Поэтому говорят, что вокруг электрических зарядов существует электрическое поле. Мерой электрического поля в данной точке служит его напряженность Е, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, к величине прооного заряда: Ё — F/q. Это отношение не зависит от нашего простейшего измерительного прибора — пробного заряда и, следовательно, характеризует поле в той точке, в которую помещен пробный заряд. Изображают электрическое поле с помощью силовых линий — линий, касательная к которым совпадает с направлением напряженности поля.

 

Следствие закона Кулона представляет и тот факт, что работа электрических сил при перемещении заряда не зависит от пути, по которому заряд движется из одной точки в другую, а определяется лишь положением этих точек в пространстве. Если одну из этих точек «унести» в бесконечность, то тогда каждой точке в электрическом поле можно поставить в соответствие число ср — электрический потенциал, т. е. работу, которую нужно совершить, чтобы перенести единичный положительный заряд из бесконечности в данную точку.

 

Если в электрическом поле соединить все точки с одинаковым потенциалом, то мы получим поверхность равных потенциалов, или эквипотенциальную поверхность. При перемещении пробного заряда вдоль эквипотенциальной поверхности работа электрических сил равна нулю. Так может быть лишь в том случае, когда на заряд не действуют электрические силы вдоль поверхности, т. е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

 

Если известно, как расположены заряды, то легко можно решить любую электростатическую задачу, поскольку задача расчета электрического поля в этом случае сводится к вычислению поля от каждого из зарядов (с помощью закона Кулона), а затем к сложению этих электрических полей. Однако в большинстве задач положение зарядов заранее не известно — оно само зависит от электрического поля. Так происходит, например, в том случае, когда в электрическое поле помещен проводник — вещество, в котором имеются свободные заряды, способные перемещаться под действием электрического поля.

Электрическое поле внутри проводящей сферы в точности равно нулю.

 

В электростатике напряженность электрического поля внутри проводника всегда равна нулю: Е — 0. Причиной тому — свободные заряды в проводнике, которые под действием внешнего электрического поля накапливаются на поверхности проводника и распределяются там таким образом, что их собственное поле полностью компенсирует внешнее электрическое поле. Естественно, что при этом все точки внутри проводника имеют одинаковый потенциал, а его поверхность представляет собой эквипотенциальную поверхность. Поверхностные заряды на проводнике искажают внешнее электрическое поле, и поэтому задача расчета внешних электрических полей в присутствии проводника становится настолько сложной, что допускает точное анали-тическое решение лишь для проводников очень простой формы. Во всех остальных случаях для расчета полей приходится использовать быстродействующие электронные вычислительные машины.

 

Еще более сложные и интересные физические явления происходят с диэлектриками в электрическом поле. В отличие от проводников в них нет свободных зарядов, все электрические заряды в диэлектрике связанные, и поэтому под действием электрического поля заряды лишь смещаются на очень небольшие расстояния по сравнению с размерами диэлектрика — диэлектрик поляризуется. В отличие от проводников в диэлектрике поляризационные заряды могут возникать не только на поверхности, но и во всем объеме, причем собственное электрическое поле поляризационных зарядов может не совпадать по направлению с внешним полем. Исключение составляют однородные диэлектрики, граница которых совпадает с эквипотенциальными поверхностями внешнего электрического поля. Например, плоскопараллельная диэлектрическая пластина, расположенная перпендикулярно внешнему однородному полю (как в плоском конденсаторе) .

В этом случае поле Е внутри диэлектрика будет совпадать по направлению с внешним полем Ео, а его величина будет меньше в е — раз: Е = Е0/е. Параметр е называют диэлектрической проницаемостью диэлектрика.

Закон Кулона — один из фундаментальных законов физики, и в связи с этим очень важно установить степень его точности.

 

Может быть, в закон Кулона входит не квадрат расстояния, а, например, г1'9999 или г2,0001? Ведь этот закон был выведен на основе эксперимента, а любые измерения, пусть даже на самых точных крутильных весах, всегда дают результат с какой-то погрешностью.

 

Оказывается, существует очень точный способ проверки закона Кулона, основанный на его следствии: поле внутри равномерно заряженной сферы отсутствует. Для того чтобы доказать, что электрическое поле равно нулю в любой точке внутри сферы, можно мысленно разделить всю сферу на маленькие площадки.

 

Заряды противоположно расположенных площадок пропорциональны их площадям, а следовательно, квадратам расстояний от точки до этих площадок. И электрические поля от противоположных площадок будут компенсировать друг друга в том случае, если напряженность поля точечного заряда (площадки маленькие) будет спадать с расстоянием по закону Е         .

 

 

 

 

 

Смотрите также:

 

Электростатика. Важнейшим результатом, полученным Кулоном...

Дмитрий Самин. Основы мироздания. Основной закон электростатики.
Однако основной закон электростатики не носит имя Робайсона.

 

Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVIII в. Опыты...

...80-х гг. французским физиком Ш.О. Кулоном величины сил, действующих между электрическими зарядами, и установления основного закона электростатики — закона Кулона...

 

Теория электромагнитного поля. Дж. К. Максвелл. Динамическая...

Наиболее популярной стала теория В. Вебера, которая объединила электростатику и электромагнетизм того времени.

 

Резонанс. Вечный двигатель и электричество. Резонансная...

Тесла попытался использовать этот эффект в электростатике, например в трансформаторах. А я, как показал патентный поиск, первый догадался использовать настоящий резонанс в...