40. Электрическое поле. Напряженность поля. Поток вектора напряженности. Теорема Остроградского-Гаусса.

Электрическое поле. Напряженность поля.

В нашем мире мы все привыкли к тому, что материальные объекты взаимодействуют друг с другом по средствам прямого контакта (прикосновения).

Электрическое поле — это особый вид материи, которая существует вокруг электрически заряженных элементарных частиц (электроны и протоны). Через электрические поля передаётся воздействие одного электрического заряда (неподвижного) на иной неподвижный электрический заряд. Данное взаимодействие происходит в соответствии с известными законами Кулона.

Что собой представляет этот вид поля (электрическое) и чем он специфичен? Чтобы это понять, давайте с Вами прежде разберёмся в его свойствах и проявлениях. Как Вы должны знать, электрическое поле проявляет себя тогда, когда возникает перераспределение электрических зарядов между телами. Точнее, когда в силу некоторых обстоятельств одного вида заряда становится больше или меньше, по отношению к противоположному. Тогда одни тела начинают притягиваться либо отталкивать другие на расстоянии.

Поскольку в промежутке этого расстояния нет плотных тел, то, следовательно, можно утверждать о существовании невидимого поля. Ну, а поскольку данное поле связанно с электрическими явлениями, то и поле стали называть электрическим. В целом же, электрическое поле (как и другие виды полей) существуют везде и вокруг всего, только из-за их скомпенсированости взаимодействия друг на друга и невидимости невооруженным глазом создаётся впечатление, будто они появляются.

К свойствам электрического поля можно отнести:

— невидимость (их определение происходит через поведение пробного электрического заряда)

— электрические поля взаимодействуют только лишь с электрическими полями.

— оно имеет векторное направление

— может притягивать либо отталкивать

— существует всегда вокруг заряженных частиц (в отличие от магнитного поля)

— обладает свойством концентрации и неоднородности (имеется в виду НАПРЯЖЕННОСТЬ)

Как было упомянуто выше, электрическое поле определяется при помощи пробного точечного заряда. Если электрический заряд (пробный заряд) обладает электрическим полем внести в интересующую нас точку пространства, можно выяснить — если в данном месте электрическое поле. Если начнёт действовать электрическая сила, то значит, в этой точки поле есть. Интенсивность данного электрического поля будет характеризовать напряженность поля.

Силы, которые действуют на один и тот же точечный электрический заряд будут отличатся по направлению и величине в различных точках электрического поля. Поэтому и было целесообразно ввести силовую характеристику любой точки данного поля, созданного зарядом. К сожалению, сила «F» (Кулона) подобной характеристикой послужить не может, поскольку для одной точки поля эта сила будет прямо пропорциональна величине точечного заряда.

Было принято считать силовой характеристикой точки электрического поля «E». Она стала называться напряжённостью электрического поля. Напряжённость измеряется силой, с которой электрическое поле действует на единичный положительный заряд, что был внесён в некую точку определяемого поля в пространстве. Напряженность является векторной величиной. Напряжённость электрического поля измеряется в Ньютонах на Кулон или в Вольтах на метр.

И ещё, что можно сказать о напряжённости — если электрическое поле создаётся одновременно множеством электрических зарядов, то результативная (общая) напряжённость «E» в определённой точке электрического поля находится как геометрическая сумма всех имеющихся напряженностей, созданных в данной точке каждым конкретным электрическим зарядом в отдельности.

P.S. Электрические поля, это неотъемлеммая составляющая всего существующего в мироздании, и лишь в силу нашей ограниченности восприятия мира, поля воспринимаются нами, как нечто загадочное и непонятное.

Поток вектора напряженности.

Итак, на примерах мы показали, что, если силовые линии однородного электрического поля напряженностью пронизывают некоторую площадку S, то поток вектора напряженности (раньше мы называли число силовых линий через площадку) будет определяться формулой:

где – произведение вектора на нормаль к данной площадке

Полное число силовых линий, проходящих через поверхность называется потоком вектора напряженности через эту поверхность.

В векторной форме можно записать – скалярное произведение двух векторов, где вектор .

Таким образом, поток вектора есть скаляр, который в зависимости от величины угла может быть как положительным, так и отрицательным.

Теорема Остроградского-Гаусса.

Спочатку розрахуємо потік вектора напруженості поля точкового заряду q через сферичну поверхню радіусом r.

Потік вважається додатнім; якщо лінії напруженості виходять із поверхності і від’ємним для ліній, що входить у поверхню. Напруженість поля в точках сферичної поверхні стала по величині дорівнює:

Вектори напруженості поля у всіх точках співпадають з напрямком нормалі.

Тому потік вектора напруженості через сферичну поверхню дорівнює

Підставимо значення Е і S.

;

Таким чином потік вектора напруженості поля точкового заряду q через сферичну поверхню пропорційний q.

Цей висновок узагальнюється теоремою Гауса – Остроградського на будь-яку систему зарядів, оточених довільно замкненою поверхнею.

Теорема. Потік вектора електричної напруженості через будь-яку замкнену поверхню пропорційний алгебраїчній сумі зарядів, охоплюваних цією поверхнею.

где и — дифференциалы объёма и поверхности соответственно. В современной записи — элемент объёма, — элемент поверхности.

— функции, непрерывные вместе со своими частными производными первого порядка в замкнутой области пространства, ограниченного замкнутой гладкой поверхностью.