Электрическое поле

 

Каким образом электрически заряженные тела взаимодействуют друг с другом? Ведь даже в вакууме это взаимодействие имеет место. С точки зрения Ньютона этот вопрос вообще не обсуждался. Все тела чувствуют друг друга, где бы они ни находились, об изменении положения одного тела другие «узнают» мгновенно. Это довольно странная точка зрения (теория дальнодействия), ведь тела могут находиться невообразимо далеко.

 

Идеи полевого взаимодействия были предложены Георгом Рихманом (Эстония). Спустя пять лет после его трагической гибели от удара молнией, в 1758 году были опубликованы его труды, в которых писалось, что «электрическая материя опоясывает тела на некотором расстоянии .. при увеличении расстояния сила ее убывает». Фактически, это было предположение о существовании объекта, осуществляющего взаимодействие между удаленными зарядами – электрического поля. Рассмотрим два заряженных тела. На тело В со стороны тела А действует сила F(изображена стрелкой).

Быстро переместим тело А, в положение А’ . Тело В «почувствует это изменение не сразу. Некоторое время сила будет направлена в точку А и лишь через конечный промежуток времени ее направление и величина изменится и станет F’. Это время необходимо для изменения свойств пространства вблизи заряда В. Заряд А меняет пространство вокруг себя, это изменение пространства и называют полем. При изменении положения источника А, постепенно изменяется и окружающее поле. Скорость, с которой распространяется это изменение, очень велика. В вакууме эта скорость – максимально возможная и равна 299792458 м/с.Вот почему это запаздывание в изменении направления силы F почти неуловимо. Скорость очень велика, с точки зрения человека – почти бесконечна. Вот почему теория дальнодействия так долго считалась правильной.

 

Электрическое поле неподвижных зарядов неощутимо органами чувств. Но об изменении свойств пространства в точке В можно судить, поместив туда электрический заряд. На него будет действовать сила. Она всегда пропорциональна заряду, что наводит на мысль, что поле в данной точке В от величины заряда не зависит и может быть охарактеризовано напряженностью электрического поля. Стрелочки показывают, что напряженность как и сила - это не просто числа, а другие математические объекты – векторы. Они складываются по другим правилам.

Само название говорит о том, что пространство в точке В «напряжено», оно изменено зарядом А, поэтому величина Е зависит от заряда А. Зная закон Кулона, можно легко вычислить напряженность поля в точке В.

Следующее важное свойство поля касается того, каким будет поле в точке В, если его создают несколько точечных зарядов. Ответ на этот вопрос есть экспериментальный факт, что напряженности всех отдельно взятых зарядов в точке В не искажают друг друга, а складываются по закону векторного сложения. Это принцип суперпозиции (сложения) напряженностей. Подробнее мы коснемся его позднее.

 

Геометрически любое электрическое поле удобно изображать с помощью линий напряженности. Это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с напряженностью поля в данной точке. Густота линий показывает, насколько велика напряженность поля в данной точке.

На рисунке изображены линии точечного заряда, линии пары равных по величине зарядов. Видно, что линии всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных (или уходят в бесконечность где, возможно, тоже есть заряды). Это наводит на мысль, что суммарный электрический заряд всего мира равен 0, хотя это ничем не обосновано. Вблизи каждого из зарядов линии почти такие же, как у одного заряда, но в точках, которые удалены от зарядов на сравнимые расстояния, поле формируется обоими зарядами.

 

В заключение хочется заметить, что рассматривая неподвижные заряды, мы не сможем доказать существование поля как независимого объекта. Однако в более сложных случаях можно добиться того, что поле станет существовать самостоятельно, перенося энергию на большие расстояния и взаимодействуя с веществом. Только тогда можно будет говорить, что это независимая от вещества реальность. В некотором смысле поле – это «энергия без вещества». Оно обладает всеми фундаментальными физическими характеристиками и описывается фундаментальными физическими законами. В теории элементарных частиц и вещество, и поле будут описываться с помощью элементарных (первичных) частиц, просто их физические свойства будут отличаться.