Теория электрических цепей / 1.3. Электрическое поле - что это такое и как оно возникает
Вокруг любого заряженного тела существует особая область пространства — электрическое поле. Это не абстракция, а реальная форма материи, через которую осуществляется взаимодействие между электрическими зарядами. Если заряды неподвижны, поле называют электростатическим.
Представьте: вы держите в руке заряженную палочку. Даже если она не касается других предметов, рядом с ней начинают происходить изменения — бумажки притягиваются, волосы встают дыбом. Почему? Потому что вокруг палочки создано электрическое поле — невидимое, но вполне измеримое.
Как измерить силу поля? Вводим пробный заряд
Чтобы количественно описать поле в каждой точке, используют величину — напряжённость электрического поля E. Она определяется как отношение силы F, действующей на маленький положительный пробный заряд q, к величине этого заряда: E=F/q.
Зачем нужен пробный заряд? Чтобы не искажать само поле при его измерении. Он должен быть настолько мал, чтобы не вызывать перераспределения зарядов в источнике поля. Именно поэтому в формуле используется предельно малый заряд — так, чтобы соотношение F/q оставалось постоянным.
Единица измерения напряжённости — ньютон на кулон (Н/Кл). В практических задачах часто используют эквивалентную единицу — вольт на метр (В/м), особенно когда речь идёт о разности потенциалов.
На рис. 1 линии напряжённости расходятся от положительного заряда и сходятся к отрицательному. Это визуальное подтверждение того, что направление поля совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Напряжённость — вектор: важно не только значение, но и направление
Напряжённость — это векторная величина. То есть, чтобы полностью описать поле в точке, нужно знать не только его силу, но и направление. Направление вектора E всегда совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Для наглядного представления поля используются линии напряжённости — воображаемые линии, которые показывают направление поля в каждой точке. Густота линий отражает интенсивность: чем плотнее — тем сильнее поле.
Эти линии имеют важные свойства:
- Они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
- Не пересекаются — ведь в каждой точке направление поля единственное.
- Их густота пропорциональна модулю напряжённости.
На рис. 2 линии поля «перетекают» от одного заряда к другому, если они разноимённые, или «отталкиваются», если заряды одинаковые. Это наглядно демонстрирует принцип суперпозиции: поле в любой точке — сумма полей от каждого заряда по отдельности.
Однородное поле — идеальный случай для расчётов
Особый интерес представляет однородное электрическое поле — поле, в котором напряжённость одинакова по модулю и направлению во всех точках. Такое поле легко создать — например, между двумя параллельными металлическими пластинами, заряженными противоположно.
В однородном поле линии напряжённости — прямые, параллельные и равноудалённые друг от друга. Это упрощает расчёты: сила, действующая на заряд, будет постоянной по величине и направлению.
Такие поля широко применяются в технике — в конденсаторах, электронных пушках, дефлекторах лучей в осциллографах и даже в некоторых типах электронных печатей.
На рис. 3 линии поля здесь строго параллельны и равномерно распределены — именно так выглядит идеальное однородное поле. В реальности ближе к краям пластин поле слегка искажается, но в центральной зоне — очень близко к идеальному.
▌Интересный факт:
Электрическое поле — не просто школьная теория. Оно работает в каждом вашем устройстве: в конденсаторах смартфонов, в экранах планшетов, в системах заземления домов. Даже в природе — молния — это результат резкого усиления электрического поля между облаками и землёй. Когда напряжённость достигает ~3 МВ/м, воздух теряет изоляционные свойства — и происходит пробой. А ещё: в живых клетках электрические поля участвуют в передаче нервных импульсов — без них мы бы не могли двигаться, чувствовать или думать.