Если в пространство, окружающее электрический заряд, внести другой заряд, то между ними возникнет кулоновское взаимодействие. Следовательно, в пространстве, окружающем электрические заряды, существует силовое поле, в данном случае электрическое поле, являющееся средой взаимодействия между зарядами. Так как рассматриваются неподвижные заряды, то поле, создаваемое ими, называется электростатическим.

Для обнаружения и исследования электростатического поля используется пробный заряд – такой точечный положительный заряд, который не искажает исследуемое поле, т.е. не вызывает в нем перераспределения зарядов (собственным полем пробного заряда пренебрегают). Если в поле, создаваемое зарядом q, в разных точках помещать пробный заряд q_o, то на него будет действовать сила F, различная в этих точках поля и пропорциональная величине пробного заряда (рисунок 1). Однако отношение F/q_o не зависит от и характеризует электрическое поле в точке, куда помещен пробный заряд. Эта величина называется напряженностью и является силовой характеристикой электростатического поля

Пусть точечные заряды q₁ и q₂ находятся в вакууме на бесконечном расстоянии друг от друга. Чтобы сблизить их до расстояния r₁₂, надо затратить работу q₁q₂/4πε₀r₁₂. Потенциальная энергия взаимодействия зарядов будет

Рассмотрим систему, состоящую из N точечных зарядов: q₁, q₂,..., q_n.

Энергия взаимодействия такой системы равна сумме энергий взаимодействия зарядов, взятых попарно:

.               (1)

Коэффициент 1/2 поставлен потому, что при суммировании потенциальная энергия каждой пары зарядов учитывается дважды. Формулу (1) можно представить в виде:

U=(Σφ_iq_i)/2,                 (2)

где φ_i - потенциал в точке нахождения i-го заряда, создаваемый всеми остальными зарядами:

.

Сделаем несколько замечаний по поводу формулы (2). Выражение (2) не допускает преобразования в объемный интеграл, оно может принимать как положительные, так и отрицательные значения. При получении формулы (2) каждый заряд q_i рассматривается как нечто целое и неизменное. Учитывается только работа, затрачиваемая на сближение таких зарядов, но не на их образование.

 

 

Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора (рисунок 1).

Электрическое поле называется однородным, если во всех его точках напряженность поля одинакова по модулю и направлению (E = const). Примером такого поля может быть электростатическое поле плоского конденсатора вдали от краев его обкладок.

Силовым линиям поля приписывается направление, совпадающее с направлением вектора напряженности. Так как в каждой данной точке пространства вектор имеет лишь одно направление, то линии напряженности никогда не пересекаются. Густотой силовых линий характеризуют напряженность поля: в местах, где напряженность поля меньше, линии проходят реже. Примеры простейших электростатических полей приведены на рисунке 1, а – в.