Электрические заряды не действуют непосредственно друг на друга. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле вызывает силовое воздействие на другие заряженные тела.
Главное свойство электрического поля - действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется благодаря электрическому полю, которое окружает заряженные тела.
Электрическое поле, которое окружает заряженное тело, можно исследовать с помощью так называемого пробного заряда - небольшого по величине точечного заряда, не вносит заметного перераспределения исследуемых электрических полей.
Для количественного определения электрического поля вводят силовую характеристику электрического поля - напряженность электрического поля.
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
E = F / q
Напряженность электрического поля - векторная физическая величина. Направление вектора E совпадает в каждой точке пространства с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называют электростатическим.
Если с помощью пробного заряда исследуют электрическое поле, созданное несколькими заряженными телами, то результирующая сила будет равна геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в частности. Итак, напряженность электрического поля, которое создано системой зарядов в некоторой точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, созданных в той же точке каждым зарядом в частности:
E = E1 + E2 + E3 + ...
Это свойство электрического поля свидетельствует, что для электрического поля подтверждается принцип суперпозиции.
По закону Кулона, напряженность электростатического поля, которое создано точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю:
E = kQ/r2
Это поле называют кулоновским.
В кулоновском поле направление вектора E зависит от знака заряда Q:
если Q> 0, то вектор E направлен вдоль радиуса от заряда,
если Q <0, то вектор E направлен вдоль радиуса в сторону заряда.
Электростатическое поле изображают с помощью силовых линий.
Эти линии проводят так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовым линиям (рис. 1). При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их плотность должна быть пропорциональной модулю вектора напряженности электрического поля.
Силовые линии кулоновских полей положительного и отрицательного точечных зарядов изображены на рис. 2. Так как электростатическое поле, созданное любой системой зарядов, можно представить как суперпозицию кулоновских полей точечных зарядов, изображенных на рис. 2. Поля изображенные на данном рисунке можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля.
Как пример применения принципа суперпозиции полей рассмотрим поле электрического диполя. Электрический диполь - это система двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и-q, росташованих на некотором расстоянии l. На рис. 3 изображен картину силовых линий дипольного поля.
Важной характеристикой электрического диполя является так называемый дипольный момент р:
р = lq,
где l - вектор, направленный от отрицательного заряда к положительного.
Диполь может служить электрической моделью многих молекул.
Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H2O), так как центры двух атомов водорода расположены не на одной прямые с центром атома кислорода, а под углом 105 ° (рис. 4). Дипольный момент молекулы воды p = 6,2 • 10-30 Кл • м.
Во многих задачах электростатики нужно по заданному разподилом зарядов определить электрическое поле Е. Пусть, например, нужно найти электрическое поле длинной однородно заряженной нити (рис. 5) на расстоянии R от нее.
Рис.5 Электрическое пле безграничного равномерно заряженного стержня.
Поле в точке наблюдения P можно представить как суперпозицию кулоновских полей, которые создают малые элементы Δx нити, с зарядом τΔx, где τ - заряд нити на единицу длины. Задача сводится к суммирования (интегрирования) элементарных полей ΔЕ. Результирующее поле равно:
Е = τ/2πε0 ∙ R.
Вектор Е везде направлен вдоль радиуса R. Это следует из симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля с заданным распределением зарядов приводит к громоздким математических расчетов. В некоторых случаях можно значительно упростить расчеты, если воспользоваться теоремой Гаусса, выражающая фундаментальные свойства электрического поля.