Электрическое поле точечных зарядов

Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев, т.2, §5-10). Запустите программу «Эл-магн.Кванты». Выберите «Электричество и магнетизм» и «Взаимодействие электрических зарядов». Нажмите вверху внутреннего окна кнопку с изображением страницы. Прочитайте краткие теоретические сведения. Необходимое запишите в свой конспект. (Если вы забыли, как работать с системой компьютерного моделирования, прочитайте ВВЕДЕНИЕ стр.5 еще раз).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

* Знакомство с моделированием электрического поля от точечных источников.

* Экспериментальное подтверждение закономерностей для электрического поля точечного заряда и электрического диполя (ЭД).

* Экспериментальное определение величины электрической постоянной.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

электрическим полем (ЭП) называется область пространства, в которой на электрически заряженную частицу действует сила, называемая электрической (кулоновской).

Источником ЭП являются электрически заряженные частицы.

ЗАРЯДОМ (электрическим) называется особая характеристика объекта, определяющая его способность создавать ЭП и взаимодействовать с ЭП. Часто «зарядом» называют заряженную частицу, а «точечным зарядом» - материальную точку, имеющую электрический заряд.

Основные свойства электрического заряда:

1. Заряд инвариантен – его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчета.

2. Заряд сохраняется – суммарный заряд изолированной системы тел не изменяется.

3. Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.

4. Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен минимальному заряду, который обозначается символом е и равен 1.6 10^-19 Кл.

5. Существуют заряды двух разных «сортов». Заряды одного «сорта» названы положительными, а другого «сорта» - отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные - притягиваются.

Если вблизи одной заряженной частицы (заряда Q₁), расположенной в начале координат, будет находиться вторая заряженная частица (заряд Q₂), то на второй заряд будет действовать электрическая (кулоновская) , определяемая законом Кулона: где - радиус-вектор точки наблюдения, - единичный радиус-вектор, направленный в точку наблюдения, e₀ - электрическая постоянная.

НАПРЯЖЕННОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ - характеристика силового действия ЭП на заряд. Напряженность ЭП, создаваемого зарядом Q₁ , есть векторная величина, обозначаемая символом ( Q₁) и определяемая соотношением , где - сила, действующая на заряд Q₂.

линиЯ эП - линия, в любой точке которой вектор напряженности ЭП направлен по касательной к ней.

ЭП подчиняется принципу суперпозиции: напряженность ЭП нескольких источников является суммой векторов напряженности поля, создаваемого независимо каждым источником .

ПОТОКОМ ЭП называется интеграл по некоторой поверхности S от скалярного произведения напряженности ЭП на элемент поверхности: , где вектор направлен по нормали к поверхности.

Закон ГАУССА для ЭП: поток ЭП через замкнутую поверхность S₀ пропорционален суммарному заряду, расположенному внутри объема, ограниченного поверхностью интегрирования потока V(S₀): .

Линии напряженности электрического поля точечного заряда представляют собой прямые линии, идущие от заряда (положительного) или к заряду.

ПОТЕНЦИАЛОМ данной точки ЭП называется скалярная характеристика ЭП, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в другую фиксированную точку ₀, в которой потенциал принят за 0 (например, в бесконечность): .

Уравнение, выражающее напряженность через потенциал: ,

где оператор градиента grad =

ДИПОЛЬ есть два одинаковых по величине, но противоположных по знаку точечных зарядов Q, расположенных на расстоянии L (L — плечо диполя).

ДИПОЛЬНЫЙ (электрический) момент есть произведение . Вектор направлен от положительного к отрицательному заряду.

Напряженность ЭП диполя вычисляется с использованием принципа суперпозиции для ЭП.

q₁ b

r₁₂ q₂ b

L

q₃

Как видно из рисунка, , а для суммарной силы получим .

На линии, проходящей через центр диполя, перпендикулярно электрическому моменту, и на большом расстоянии r от его центра:

.