Электрическое и магнитное поле как проявление единого

Электромагнитного поля

Любое электромагнитное явление в целом характеризуется двумя сторонами – электрической и магнитной, которые тесно связаны. Таким образом, электромагнитное поле имеет две взаимосвязанные стороны – электрическое поле, магнитное поле. Вместе с тем можно создать такие условия, когда в некоторой области пространства обнаруживаются только электрические или только магнитные явления. Например, вне заряженных неподвижных тел обнаруживается только электрическое поле. Аналогично, в пространстве, окружающем неподвижные постоянные магниты, обнаруживается только магнитное поле. Однако, и в этих случаях, если явление рассматривать в целом, нетрудно усмотреть как электрическую, так и магнитную его стороны.

Так заряды неподвижных заряженных тел образуются совокупностью зарядов элементарных заряженных частиц, движущихся хаотически около поверхности тел. Каждая такая частица окружена электромагнитным полем, но, вследствие хаотического движения частиц, их результирующее магнитное поле практически исчезает уже на ничтожных расстояниях от поверхности тел. Электрические же поля частиц, при избытке на теле частиц с зарядами того или иного знака, суммируются и обнаруживаются в окружающем тела пространстве.

В пространстве, окружающем неподвижные постоянные магниты, наоборот, взаимно компенсируются электрические поля элементарных частиц, образующих вещество магнита, вследствие равенства суммарных зарядов разных знаков.

Таким образом, и в этих особых случаях явление в целом оказывается электромагнитным. Причем в переменном электромагнитном поле само электрическое поле возникает вследствие изменения во времени магнитного поля и, в свою очередь, возникновение магнитного поля является результатом изменения во времени электрического поля.

Электростатическое поле

Электростатическое поле - это поле, создаваемое совокупностью зарядов неподвижных в пространстве и неизменных во времени.

Основными характеристиками электростатического поля являются напряженность и потенциал .

Напряженность поля в данной точке есть вектор, численное значение которого равно отношению силы, действующей на помещенное в эту точку пробное тело, обладающее положительным зарядом, к величине этого заряда, а направление совпадает с направлением силы.

Если поле создается несколькими зарядами , то результирующая напряженность поля равна геометрической сумме напряженностей от каждого из зарядов в отдельности:

Для наглядного изображения электрического поля пользуются линиями напряженности электрического поля (силовыми линиями). Это линии, начинающиеся на положительно заряженном теле и заканчивающиеся на отрицательно заряженном теле. Они проводятся в пространстве так, что вектор напряженности поля совпадает с касательной в каждой точке этой линии.

Потенциал – величина скалярная. Его значение определяется в каждой точке поля некоторым числом.

Поместим в электрическое поле некоторый заряд q. На заряд будет действовать сила . Пусть заряд q из точки 1 переместился в точку 2 (рис.38.1). Так как направление силы , воздействующей на заряд в каждой точке пути, может не совпадать с элементом пути , то работа по перемещению заряда на пути определится скалярным произведением силы на элемент пути · . Работа, затраченная на перенос заряда из точки 1 в точку 2, определится как сумма элементарных работ .

Заряд q может быть любым. Положим его равным единице. Под разностью потенциалов принято понимать работу, затрачиваемую силами поля при переносе единичного заряда из начальной точки 1 в конечную точку 2:

.

(38.1)

Если бы потенциал точки 2 был равен нулю , то

,

(38.2)

т.е. потенциал произвольной точки может быть определен как работа по переносу единичного заряда из данной точки в точку с нулевым потенциалом.

Иногда точку с нулевым потенциалом выносят на бесконечность Тогда

(38.3)

Рассмотрим свободную частицу с положительным зарядом q в равномерном электрическом поле. Предположим, что частица движется по замкнутому пути 1 – 4 – 2 – 5 – 1.

Когда частица движется по участку 1 – 4 – 2, то перемещение ее в направлении от точки 1 к точке 2 совпадает с направлением сил поля, следовательно, совершается положительная работа А_1-2; при движении по участку пути 2 – 5 – 1 силы поля направлены против движения, и работа А_2-1 отрицательна.

Общее значение работы на замкнутом пути 1 – 4 – 2 – 5 – 1 равно нулю

.

(38.4)

Оба пути (1 – 4 – 2 и 2 – 5 – 1) выбраны произвольно. Отсюда следует, что работа, совершаемая силами поля при перемещении заряженной частицы между двумя точками, не зависит от выбранного пути, а определяется положением начальной и конечной точек пути, то есть расстоянием l.

Поле, которое подчиняется условию (38.4), называется потенциальным.

Потенциал электрического поля изменяется от точки к точке. Вместе с тем в поле можно выделить ряд точек, имеющих одинаковый потенциал. Геометрическое место точек, имеющих одинаковый потенциал, называется поверхностью уровня потенциала, или эквипотенциальной поверхностью. Следы пересечения эквипотенциальных поверхностей с секущей плоскостью образуют эквипотенциальные линии – линии равного потенциала.

В электрическом поле любой конфигурации линии напряженности поля и эквипотенциальные линии пересекаются под прямым углом. При помощи силовых и эквипотенциальных линий оказывается возможным изображать картину электрического поля (рис. 38.2).