Электрическое поле удобно изображать графически с помощью силовых линий; касательные, нанесенные в каждой точке этих силовых линий, определят направление вектора напряженности поля.
Теперь обратимся к электрическим явлениям. Для них основной закон — закон Кулона. Он определяет взаимодействие точечных зарядов в вакууме:
F=k•q1q/r2,
где k — коэффициент, зависящий от выбора единиц для измерения зарядов q1 и q, расстояния между ними r и силы F, приложенной к каждому заряду.
При измерении этих величин в единицах Международной системы, т. е. зарядов в кулонах (а•сек), расстояния в метрах и силы в ньютонах, коэффициент k будет равен 9•109, а формула приобретет следующий вид:
F= 9•109q1q/r2.
Введем в нее коэффициент 4p так же, как это было сделано в формуле закона Ампера:
Заменив (1/36p)•109 обозначением e0, получим
закон Кулона в рационализированой форме:
F=q1q/4pe0r2,
где e0=(1/36p)•10-9 а•сек/в•м. Эта величина называется электрической постоянной вакуума.
Если же поместить заряды в диэлектрик, т. е. в среду, которая влияет на силу взаимодействия, величина силы изменится и придется учитывать относительную диэлектрическую проницаемость среды e:
F=q1q/4pee0r2.
Рассматривая взаимодействие зарядов с точки зрения теории близкодействия (q1 образует поле, a q испытывает его действие), находим напряженность электрического поля для точечного заряда:
Е=F/q=q1/4pee0r2
и находим силу, действующую на заряд в любой точке поля:
F=Еq.
Чтобы упростить вычисление силовой характеристики поля (Е), Максвелл ввел новую характеристику — D: электрическое смещение:
D=ee0E.
В Международной системе для D нет специального названия. Электрическое смещение измеряется единицей
а•сек/м, т. е. кулон/м2
Таким образом, электрическое смещение можно рассматривать как характеристику образования электрического поля в среде, когда заряды, связанные в атомах и молекулах вещества, смещаются. Мера этого процесса — заряд, сместившийся через единицу поверхности.
Таким образом, в основные законы были введены две постоянные, характеризующие вакуум,— электрическая e0 и магнитная m0. При этом само понятие вакуума обогатилось новым содержанием, которое расширяет наше представление об отвлеченном безвоздушном пространстве.
Новое содержание закона электромагнитной индукции
Джемс Клерк Максвелл родился в том же году, когда Фарадей открыл электромагнитную индукцию. Через 30 лет Максвелл обогатил открытие Фарадея более глубоким физическим содержанием, а затем разработал теорию взаимосвязи электрических и магнитных явлений — теорию электромагнитного поля.
Изучая электромагнитную индукцию, Максвелл обратил внимание на то, что Фарадей не заметил. Его заинтересовала причина, порождающая ток в проводнике, когда магнитное поле изменяется. Он хотел понять, как и почему это происходит.
Ток — это перемещение свободных зарядов в проводнике. Они приходят в движение, лишь когда существует электрическое поле. А единственная возможность появления электрического поля связана в свою очередь с изменением магнитного поля, в котором находится проводник. Учитывая это, можно представить себе явление электромагнитной индукции так: при изменении магнитного поля вокруг него возникает вихре-
210