Напрямок сили, що діє на елементарний позитивний заряд, позначають силовими лініями електричного поля. По суті, це уявні смужки зі стрілками, що дозволяють наочно побачити, як поширюється енергія при взаємодії частинок.
Властивості і форма зображення розподілу дозволяє судити про перебіг явища, визначати його головні характеристики, тобто аналізувати поле, знаходити його неоднорідності і величину напруженості.
Загальні відомості
Певною фундаментальною властивістю природи є електричний заряд. Один з розділів фізики займається вивченням його властивостей і взаємодії та електродинамікою. Найцікавіше для вчених є вивчення впливу один на одного заряджених тіл.
Бум дослідження електричних явищ припав на XIX століття. У цей час з’явилося дві теорії, одна з яких виявилася помилковою і була спростована експериментами. Ця здогадка називалася правилом далекодії. Відповідно до цього правила, один заряд безпосередньо діє на інший. Тобто чим більше відстань між взаємодіючими тілами, тим менше сила дії.
Але насправді електричні заряди впливають один на одного по-іншому. Ця теорія отримала назву “Правило (принцип) близькодії”. Як виявилося, якщо взяти два заряджених тіла, наприклад, позитивно, то перший заряд на другий не діє. Він просто змінює навколо себе простір, створюючи щось. Ця матерія і отримала назву “електричне поле”. Саме воно і впливає на друге тіло. Іншими словами, на заряд діє матерія, створювана першою часткою. При цьому поширюється вона з досить великою, але кінцевою, швидкістю.
Ним було встановлено, що заряд відчуває вплив поля, навіть якщо поблизу його немає інших частинок. Ця сила являє собою електромагнітну хвилю.
Електричне поле можна виявити, помістивши в нього інший заряд та досліджувати дію спостережуваної сили. Електромагнітну матерію можна описати кількісно, тому, знаючи характеристики поля і заряду, можна визначити величину сили.
До основних параметрів електростатичного поля, тобто матерії, створеної нерухомою часткою в просторі, відносять:
- напруженість;
- потенціал.
Таким чином, якщо є система заряджених тіл, то в будь-якій її точці буде існувати силове електричне поле. Його можна досліджувати через силу, що діє на заряд, що знаходиться в цій матерії.
Оскільки візуально вектор побачити не можна, то використовують так звані силові лінії, що вказують, куди направлений вплив поля.
Властивість ліній
За величину сили електрополя в просторі, що огортає тіло, приймають кількість заряду зворотного квадрату відстані до нього. Прийнято, що напрямок поширення дії направлений від позитивного потенціалу до негативного.
Оскільки заряд — це джерело, то його оточує безліч векторів напруженості. Щоб не зображувати їх незліченну кількість, використовують силові лінії. Інша їх назва – інтегральні криві. По суті, це об’єднані вектори, де вони самі є дотичними до точок.
Поширення силових кривих підпорядковується певним правилам.
До основних з них відносять такі:
- лінії мають початок і кінець;
- якщо сили виходять з однієї точки або сходяться в ній, то такий розподіл буде радіальним;
- коли криві не перетинаються, то матерія вважається однорідною, в іншому ж випадку неоднорідною (силові лінії не паралельні);
- сили електричного поля завжди перпендикулярні поверхні тіла.
Зображення ліній підпорядковується різними правилами. Так, для частинок з великим зарядом щільність ліній повинна бути вище, ніж з меншим. Якщо заряд недалеко від джерела, то щільність силових ліній густіше. Для кривих, що проходять перпендикулярно первинним силам, використовують еквіпотенціальне зображення. Такий тип утворюють замкнуті контури. У них кожна точка напруженості матиме однакове значення потенціалу. При перетині часткою ліній кажуть про здійснення роботи.
За допомогою ліній наочно показують напрямок вектора напруженості в різних точках матерії. Для цього їх малюють так, що дотична до кожної була паралельна напруженості. Але через те, що пряма вказує напрямок вектора з точністю до 180°, задають полярність обходу. Тому стрілку креслять так, щоб вона була спів направлена з напруженістю.
Сили електричного поля не можуть перетинатися, а еквіпотенційні криві утворюють замкнуті контури. У тих же точках, де лінії перехрещуються один з одним, взаємодія відбувається в перпендикулярній площині.
Іншими словами, на малюнку виходить зображення, що нагадує собою координатну сітку. Причому по точках перетину і описують характер електрополя.
Напруженість електричного поля
Взаємодія між зарядженими тілами описується кількісною характеристикою, що визначає структуру матерії. Ця величина називається напруженістю і визначається з відношення
E = F/q
де
- F – сила;
- q – заряд, поміщений в поле.
Для однорідного ізотропного середовища формулу можна отримати, використовуючи закон Кулона:
E = (1/4 pE) * (q * R/er²r)
де
- r — радіус-вектор.
Лінії поширення напруженості поля одиничного заряду у всіх точках мають радіальний вигляд. Криві лежать від частинки при q > 0, до тіла при q < 0. Для декількох же носіїв вводиться наступне поняття – пробний заряд. Він являє собою результуючу напруженість, яка визначається сумою векторів сил, розділених на значення введеної характеристики. Такий підхід визначення називається принципом суперпозиції.
Зображати безперервними лініями напруженості невидиме поле запропонував Майкл Фарадей. З їх допомогою стало можливим визначити кількісне значення діючої сили. Показують її за допомогою зміни щільності, яку вибирають пропорційно векторам напруженості по модулю. Іншими словами, визначають число кривих, що пронизують одиничну площу перпендикулярно до поверхні.
Потік вектора напруженості можна обчислити за формулою:
F = E * S * cos(a).
Для неоднорідного поля вираз проєкції знаходять як добуток вектора площі на енергію матерії: dF = E * dS. І в першому, і в другому випадку потік вважається скалярною величиною. Коли ж розглянута поверхня криволінійна, то площа розбивається на прості контури. У цьому випадку потік знаходиться як сума ліній, що пронизують елементарні поверхні. У будь-якому випадку потік, будучи алгебраїчною величиною, залежить від конфігурації поля і напрямку.
Зображення напруженості дає можливість отримати повну картину, яка наочно показує, чому дорівнює напруженість в кожній точці поля і як вона змінюється. Якої є щільності малювати лінії – неважливо.
Головне, їх потрібно зображати в зразковому співвідношенні. Але хоч щільність векторів нічим не обмежується при зображенні, потрібно враховувати їх напрямок. Стрілки якраз і вказують, в який бік поширюються хвилі.
Фізика поширення
Якщо розглядати самотню частку, то лінії сили будуть виходити від неї в радіальному напрямку. При взаємодії ж двох і більше зарядів на вид поширення впливає напруженість. Щоб намалювати, як будуть виглядати лінії, слід скласти вектори напруженості. Їх результуюча і буде характеризувати сумарне поле.
Кожна частинка, додана в електромагнітне поле, створює на нього вплив. Відповідно буде змінюватися і візерунок кривих сил. Але в будь-якому випадку основою для побудови візуалізованого малюнка буде вектор напруженості кожного джерела поля. При цьому правило, що лінії напруженості починаються на позитивному заряді, а закінчуються на негативному, умовне.
Досить цікавим для вивчення є процес виникнення електричного поля між зарядженими нескінченними площинами. Створена однорідна матерія між пластинками буде поширюватися в паралельному напрямку, тобто лінії перетинатися не будуть. Якщо ж в проріз між ними внести точковий заряд, то криві почнуть згинатися по дузі, поле стане неоднорідним, а значення напруженості буде залежати від густини.
Поширення поля підпорядковується наступним правилам:
- випромінюється в усі напрямки;
- змінює свій малюнок при наданні зовнішнього впливу;
- зменшується при віддаленні від джерела;
- може бути як однорідним, так і неоднорідним.
Електричні сили при внесенні зарядженої частинки в поле здійснюють роботу. При незначному впливі її можна описати так:
A = F * l * cos(a) = E * q * L
Таким чином, структура поширення залежить від відстані між частинками.
Якщо ж змінити напрямок переміщення зарядженого тіла на протилежний, то свій знак поміняє і робота електричного поля. А це означає, що замкнута траєкторія кулонівських сил буде дорівнює нулю.
