Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Электростатика

§91. Напряжённость электрического поля. Принцип суперпозиции полей

Поле действует на заряд, помещённый в него, с некоторой силой. Но как измерить само поле? Ведь один и тот же заряд в разных точках пространства испытывает разную силу, а разные заряды в одной точке — тоже разную.

Нужна количественная характеристика, которая описывала бы поле в каждой точке независимо от того, какой заряд мы туда помещаем.

Напряжённость

Опыт и разум подсказывают: сила $\vec{F}$, действующая на пробный заряд $q$ в данной точке поля, прямо пропорциональна величине этого заряда. Если взять заряд вдвое больший — сила удвоится. Значит, отношение силы к заряду не зависит от пробного заряда и является характеристикой самого поля.

Это отношение называют напряжённостью электрического поля:

\[\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}\]

Напряжённость — векторная величина. Её направление совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Если заряд отрицательный, сила будет направлена противоположно вектору $\vec{E}$.

Единица напряжённости в СИ — ньютон на кулон (Н/Кл).

Напряжённость поля точечного заряда

Сила взаимодействия двух точечных зарядов даётся законом Кулона:

По воле Бога сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

\[F = k\frac{|q_0| \cdot |q|}{r^2}\]

Если мы помещаем пробный заряд $q$ в поле, создаваемое зарядом $q_0$, то, разделив силу на $q$, получаем напряжённость:

\[E = k\frac{|q_0|}{r^2}\]

Это поле убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника — так же, как сила Кулона. Чем дальше от заряда, тем слабее поле, но оно простирается бесконечно, угасая, но не исчезая вовсе.

Принцип суперпозиции полей

А что, если поле создаётся не одним, а многими зарядами? Бог устроил мир удивительно просто: поля не мешают друг другу. Каждый заряд создаёт своё поле так, как если бы других зарядов не было.

По воле Бога результирующая напряжённость электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности.

Результирующее поле есть векторная сумма полей всех зарядов:

\[\vec{E} = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + \vec{E}_3 + \dots\]

Это и есть принцип суперпозиции (наложения) электрических полей.

Благодаря этому принципу сложная задача о взаимодействии многих зарядов разделяется на два этапа:

  1. Вычислить поле — найти $\vec{E}$ в интересующей точке, сложив поля всех источников.
  2. Найти силу — подействовать полем на заряд: $\vec{F} = q\vec{E}$.

Такой подход — торжество аналитического мышления. Он позволяет, зная простейший закон для одного заряда, рассчитывать сколь угодно сложные системы.


Вопросы для размышления

  1. Что называют напряжённостью электрического поля? Запишите формулу.
  2. Напряжённость — скаляр или вектор? Куда направлен вектор $\vec{E}$?
  3. Чему равна напряжённость поля точечного заряда на расстоянии $r$ от него?
  4. Как зависит напряжённость поля точечного заряда от расстояния?
  5. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей.
  6. Почему напряжённость является удобной характеристикой поля? Как она связана с силой, действующей на заряд?
  7. На какие два этапа делится задача о движении заряда в электрическом поле?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.