Физика · 10 класс3 четвертьТема 1Лабораторная работаГОСО РК 2026Средний

Электростатическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции

Электрическое поле как материальный посредник взаимодействия зарядов. Напряженность электрического поля (E = F / q). Напряженность поля точечного заряда: E = k q / (ε r²). Линии напряженности. Принцип суперпозиции электрических полей: E = Σ E_i. Однородное электростатическое поле.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы3 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ3 четвертьдескрипторы ГОСО

Электростатическое поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется силовое взаимодействие между неподвижными электрическими зарядами в пространстве.

Главное свойство электрического поля — его способность действовать на внесенный электрический заряд с механической силой Кулона.

Напряженность электрического поля (E) — силовая векторная характеристика поля, численно равная отношению силы F, действующей со стороны поля на точечный положительный пробный заряд qпр, к величине этого заряда:

E = F / qпр.

В Международной системе СИ напряженность измеряется в Вольтах на метр (В/м) или Ньютонах на Кулон (Н/Кл): 1 В/м = 1 Н/Кл.

Напряженность поля точечного заряда q₀ на расстоянии r в вакууме:

E=k⋅(∣q0∣/r2)=1/(4πε0)⋅(∣q0∣/r2)E = k \cdot (|q_0| / r^2) = 1 / (4 \pi \varepsilon _0) \cdot (|q_0| / r^2).

В диэлектрической среде с проницаемостью ε напряженность поля уменьшается в ε раз: Eср = E₀ / ε.

Направление вектора E: вектор напряженности всегда направлен радиально ОТ положительного заряда (+q) и радиально К отрицательному заряду (-q).

СИЛОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Вектор E (В/м)

Определяет силу F = q · E, действующую на любой заряд, помещенный в данную точку поля.
ИСТОЧНИКИ ПОЛЯ

+q наружу, -q внутрь

Линии напряженности начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.
Напряженность поля точечного зарядаНаправление вектора E
E=F/qпр;E=k⋅(∣q∣/(ε⋅r2))=∣q∣/(4πε⋅ε0⋅r2)E = F / q_{\text{пр}};\quad E = k \cdot (|q| / ( \varepsilon \cdot r^2)) = |q| / (4 \pi \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot r^2)
где E — напряженность поля (В/м), k = 9 · 10⁹ Н·м²/Кл², ε₀ = 8.85 · 10⁻¹² Ф/м — электрическая постоянная, ε — диэлектрическая проницаемость среды, r — расстояние (м).
Направление вектора E
Вектор E сонаправлен с силой F, действующей на ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ заряд, и противоположен силе, действующей на ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ заряд (электрон)!

Для наглядного графического изображения электрических полей Майкл Фарадей ввел представление о силовых линиях.

Линия напряженности электрического поля — непрерывная линия в пространстве, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности E в этой точке.

Фундаментальные свойства силовых линий электростатического поля:

1. Линии напряженности всегда начинаются на положительных зарядах (или уходят на бесконечность) и оканчиваются на отрицательных зарядах (или приходят из бесконечности);

2. Силовые линии никогда не пересекаются и не касаются друг друга (в противном случае в точке пересечения вектор E имел бы два различных направления, что физически невозможно);

3. Плотность (густота) линий пропорциональна модулю напряженности поля: там, где поле сильнее, линии расположены гуще;

4. Электростатические линии незамкнуты (в отличие от замкнутых вихревых линий магнитного поля).

ГУСТОТА ЛИНИЙ

Модуль E

Число линий, пронизывающих единичную перпендикулярную площадку, пропорционально модулю E.
НЕЗАМКНУТОСТЬ

Электростатика

Линии имеют истоки (+q) и стоки (-q); они не могут замыкаться сами на себя в вакууме.

Если электрическое поле создано не одним, а совокупностью нескольких точечных зарядов q₁, q₂, ..., qn, то каждый заряд создает свое поле независимо от присутствия остальных.

Принцип суперпозиции (наложения) полей:

Напряженность результирующего электрического поля в любой точке пространства равна векторной (геометрической) сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом порознь:

Eрез = E₁ + E₂ + E₃ + ... + En = Σ Ei.

Для расчета результирующего вектора применяют правила векторной алгебры:

• Если векторы E₁ и E₂ направлены вдоль одной прямой в одну сторону: Eрез = E₁ + E₂;

• Если векторы направлены навстречу друг другу: Eрез = |E₁ - E₂|;

• Если векторы направлены под углом α друг к другу (по теореме косинусов):

Eрез = √(E₁² + E₂² + 2·E₁·E₂·cos α);

• При взаимно перпендикулярных полях (α = 90°): Eрез = √(E₁² + E₂²).

ДИПОЛЬ

Два разноименных заряда

Система из +q и -q на расстоянии d. В центре диполя поля E₁ и E₂ сонаправлены и складываются!
ВЕКТОРНАЯ СУММА

Правило параллелограмма

Диагональ параллелограмма, построенного на векторах E₁ и E₂, задает суммарное поле.
Шаг 1
Определить расстояния ri
Вычислить расстояние от каждого заряда до заданной точки пространства.
Шаг 2
Найти модули полей Ei
Рассчитать Ei = k · |qi| / ri2 для каждого источника.
Шаг 3
Построить векторы и сложить геометрически
Направить векторы от плюсов и к минусам и найти результирующий вектор по проекциям или теореме косинусов.
Принцип суперпозиции полейГеометрическое сложение
Eрез=E1+E2+...+En;α=90∘:Eрез=E12+E22E_{\text{рез}} = E_1 + E_2 + ... + E_n;\quad α = 90^\circ: E_{\text{рез}} = \sqrt{E_1^2 + E_2^2}
где Ei — вектор напряженности поля i-го заряда в данной точке.
Геометрическое сложение
Никогда нельзя просто арифметически складывать модули полей E! Сложение ВСЕГДА выполняется строго векторно (по правилу параллелограмма).

Электростатическое поле называется однородным, если вектор напряженности E одинаков по модулю и направлению во всех точках этого поля (E = const).

Силовые линии однородного поля представляют собой параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга.

Практическая реализация:

Однородное электрическое поле возникает в пространстве между двумя широкими параллельными металлическими пластинами (обкладками плоского конденсатора), расположенными на малом расстоянии d друг от друга и несущими равные по модулю разноименные заряды (+q и -q).

Напряженность поля внутри плоского конденсатора:

E = σпов / ε₀ = q / (ε₀ · S),

где σпов = q / S — поверхностная плотность электрического заряда на пластинах (Кл/м²).

Снаружи пластин поля компенсируют друг друга и равны нулю (Eвнеш ≈ 0, пренебрегая краевыми эффектами).

ОДНОРОДНОСТЬ

E = const

Вектор напряженности имеет неизменную величину и неизменное направление в любой точке зазора.
ТРАЕКТОРИЯ ЗАРЯДА

Парабола

Электрон, влетающий перпендикулярно линиям поля, движется по параболической траектории (как в кинескопе).
Поле плоского конденсатораПостоянство силы
E=σпов/(ε⋅ε0)=q/(ε⋅ε0⋅S);F=q⋅E=constE = \sigma _{\text{пов}} / ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0) = q / ( \varepsilon \cdot \varepsilon _0 \cdot S);\quad F = q \cdot E = const
где σпов — поверхностная плотность заряда (Кл/м²), S — площадь пластин (м²), d — зазор между пластинами (м).
Постоянство силы
В однородном поле на заряженную частицу действует постоянная по величине и направлению сила F = qE, вызывающая движение с постоянным ускорением a = qE/m.

Теорема Гаусса — один из центральных законов классической электродинамики (входит в систему фундаментальных уравнений Максвелла), связывающий поток вектора напряженности через замкнутую поверхность с полным зарядом внутри этой поверхности.

Поток вектора напряженности (ФE) сквозь плоскую площадку S:

ФE = E · S · cos α,

где α — угол между вектором напряженности E и нормалью n к площадке.

Теорема Карла Фридриха Гаусса (1835 г.):

Поток вектора напряженности электростатического поля сквозь любую произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме всех электрических зарядов, заключенных внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную ε₀:

ФE = ∮ En dS = (1 / ε₀) · Σ qвнутр.

Практическое значение теоремы Гаусса:

Она позволяет легко вычислять напряженность полей тел с высокой симметрией (заряженная сфера, длинная заряженная нить, бесконечная заряженная плоскость) без сложного суммирования по элементарным точечным зарядам.

ПОТОК ФE

Число силовых линий

Характеризует общее количество линий напряженности, пронизывающих замкнутую поверхность.
СФЕРИЧЕСКАЯ СИММЕТРИЯ

Заряженная сфера

По теореме Гаусса поле внутри полой заряженной проводящей сферы равно строго нулю: Eвнутри = 0!
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Количество вещества:
ν=N/NA=m/M \nu = N / N_A = m / M[моль]
Основное уравнение МКТ газов:
p=1/3⋅n⋅m0⋅vкв2=2/3⋅n⋅Ekp = 1/3 \cdot n \cdot m_0 \cdot v_{\text{кв}}^2 = 2/3 \cdot n \cdot E_k[Па]
Связь температуры и кинетической энергии:
Ek=3/2⋅k⋅TE_k = 3/2 \cdot k \cdot T[Дж]
Давление идеального газа:
p=n⋅k⋅Tp = n \cdot k \cdot T[Па]
Следующая тема

Потенциал поля. Разность потенциалов. Проводники и диэлектрики в поле

Перейти к теме →