Исследование электрических полей, создаваемых зарядами, распределенными на телах различных конфигураций при различном их расположении друг относительно друга

ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование электрических полей, создаваемых зарядами, распределенными на телах различных конфигураций при различном их расположении друг относительно друга.
ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ
Электролитическая ванна, вольтметр, набор электродов.
ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
Всякий неподвижный заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, представляющее собой особую форму существования материи.
Одно из основных свойств электрического поля заключается в том, что на заряд, помещенный в любую точку поля, действует сила .
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность . Напряженность поля в данной точке – векторная величина, определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:
, (1)
где – сила, с которой поле в данной точке действует на точечный заряд q.
Напряженность электрического поля, образуемого системой зарядов, зависит от:

1. 
   величины зарядов, создающих поле;
   
2. 
   пространственного распределения этих зарядов;
   
3. 
   координат точки наблюдения в электрическом поле;
   
4. 
   среды, в которой создано электрическое поле.
   

В простейшем случае поля точечного заряда вектор напряженности определяется выражением:
, (2)
где q – величина заряда, который создает поле, – радиус-вектор, направленный из точки нахождения заряда в точку наблюдения, – электрическая постоянная в системе СИ, равная 8,85^.10^‑12 Ф/м, – относительная диэлектрическая проницаемость среды.
Графически электрическое поле может быть изображено в виде совокупности силовых линий. Линия, в каждой точке которой вектор напряженности направлен по касательной, проведенной в этой точке, называется силовой линией. Направление силовой линии в каждой точке электрического поля совпадает с направлением вектора напряженности в этой точке. Силовые линии электрического поля являются незамкнутыми кривыми, причем густота их в окрестности любой точки поля характеризует значение напряженности электрического поля в этой точке.
Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал . Потенциалом электростатического поля в данной точке называется физическая величина, равная потенциальной энергии единичного положительного заряда, помещенного в эту точку поля:
, (3)
где П – потенциальная энергия заряда q.
Потенциал электрического поля в общем случае произвольного распределения зарядов, создающих поле, зависит от величины заряда, его конфигурации, координат точки наблюдения и электрических свойств среды. В частности потенциал поля точечного заряда находится из выражения:
. (4)
В любом электростатическом поле можно выделить совокупность точек, в которых значение потенциала одинаково, т.е. .
Геометрическое место точек, в которых потенциал один и тот же, называется эквипотенциальной поверхностью. Так как работа по перемещению заряда А = ‑П , то работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю.
Рассмотрим взаимное расположение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей (рис.1). РQ – эквипотенциальная поверхность, KL – силовая линия. Работа по перемещению заряда q вдоль эквипотенциальной поверхности на расстояние dl равна нулю, т.е.
.
Отсюда следует, что угол , т.е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Рис. 1

Рис. 2

Электрическое поле, таким образом, можно изображать не только картиной силовых линий, но и совокупностью эквипотенциальных поверхностей. Оба эти изображения взаимно связаны.
В каждом поле выбирают из бесконечного множества эквипотенциальных поверхностей такие, где разность потенциалов между двумя соседними поверхностями одинакова. На рис.2 в качестве примера приводится плоское сечение эквипотенциальных поверхностей поля точечного заряда ().
Между силовой и энергетической характеристиками электростатического поля существует связь:
. (5)