Електростатичне поле і одиничний заряд
У суспільстві існує стереотип, згідно з яким матерією може вважатися лише те, що не тільки реально існує, а й зримо. Це переконання вірно лише частково. Один з яскравих прикладів незримою матерії - електростатичне поле. Магнітні та електричні поля - це особлива її різновид. У цьому досить просто переконатися, якщо розглянути електростатичне поле і його характеристики.
Ще в 1785 році Ш. Кулоном був відкритий і обгрунтований закон про силу взаємодії двох точкових тіл, які мають електричними зарядами. Проте залишалося незрозумілим, як саме передається вплив. Було проведено ряд експериментів, зокрема, коли заряди розташовувалися у вакуумі. Закон дотримувався. Це дозволило припустити, що для передачі сили звична проміжна середовище не потрібна. Надалі Дж. Максвеллом (на основі робіт Фарадея) було відкрито електростатичне поле у вакуумі. Виходило, що поле завжди існує навколо зарядів, незалежно від виду навколишнього середовища, і забезпечує їх взаємодію.
Так як поле матеріально, воно «підпорядковується» формулами Ейнштейна і поширюється зі швидкістю світла. Свою назву електростатичне поле отримало завдяки тому, що воно характерно для нерухомих зарядів («статика» - спокій, рівновагу). Сила, виявлена Кулоном, називається електричної. Вона описує інтенсивність, з якою поле впливає на внесений в нього заряд.
Одна з характеристик, якою володіє електростатичне поле - це його напруженість. Вказує на ступінь взаємодії точкових зарядів. Для вивчення використовують так званий пробний заряд, внесення якого в полі не спотворює останнє. Зазвичай він приймається рівним 1.6 * 10 в ступені -19 Кулон. Якщо напруженість позначити буквою «E», то отримуємо:
E = F / Q,
де F - сила, що надає дію на одиничний заряд Q (наприклад, пробний). Використання для розрахунків закону Кулона вимагає врахування коефіцієнта діелектричної проникності середовища.
Електростатичне поле впливає на будь-яку кількість зарядів, при цьому виникає складна система взаємодій. Напруженість системи може бути розглянута з точки зору суперпозиції, тому сумарний вплив N-числа зарядів є векторною суму всіх напруженостей поля. До речі, поняття «лінії напруженості» (термін, відомий ще з шкільного курсу фізики) виник завдяки Фарадею, який схематично зображував поле лініями, в кожній довільній точці збігаються з векторами напруженості електростатичного поля. Відповідно, чим більше таких ліній, тим інтенсивніше силовий вплив. На відміну від електромагнітних полів, в електростатики лінії напруженості не замкнуті. Також варто відзначити, що в металах (та інших провідних матеріалах) напруженість поля відсутня завдяки зустрічному напрямку дії поля вільних носіїв заряду, що знаходяться в структурі кристалічної решітки. Фактично, сили швидко зрівнюються, струм відсутній, а лінії напруженості в такий провідник проникнути не можуть.
Крім векторних величин, поле може бути описано скалярними значеннями, взятими в кожній (ідеальний випадок) точці. У електростатики вказані значення характеризують потенціал поля. Можна сказати, що він відповідає значенню потенційної енергії для одиничного позитивного заряду в будь взятої точці поля. Відповідно, одиницею виміру є Вольт. Визначається відношенням потенційної енергії заряду Q-пробний до його величини, тобто W / Q-пробний.
Сам потенціал дорівнює роботі, яку здійснюють сили електростатичного поля, переміщаючи заряд з однієї точки в іншу, нескінченно віддалену.