С помощью линий напряженности или силовых линий можно наглядно изобразить электростатическое поле. Силовые линии – кривые, касательные в каждой точке, которые совпадают с направлением вектора напряженности Е.
Силовые линии понятие условное и в реальности они не существуют.
Силовые линии положительного и отрицательного одиночных зарядов изображены на рисунке ниже:
Так как в качестве пробного заряда, используемого для исследования свойств электрического поля, использовался положительный заряд, то при внесении в его поле еще одного положительного заряда их силы будут направлены в сторону от заряда. Поэтому считается, что силовые линии «исходят» от положительного и «входят» в отрицательный.
Если рассматривать электростатическое поле, образованное несколькими неподвижными зарядами, то силовые линии могут иметь самую различную конфигурацию. По совокупности силовых линий можно судить об изменении величины вектора Е в пространстве и его направлении, что характеризует конфигурацию (строение) электрического поля.
Электростатическое поле считают однородным в случае, когда направленность и густота силовых линий по всему объему поля являются неизменными. Графически это изображается равноотстоящими друг от друга прямыми параллельными линиями.
Внутри области, у которой нет особых точек (в которых напряженность равна нулю) и не имеющей границы двух диэлектриков, электрические силовые линии представлены плавными кривыми, не имеющими разветвлений или изломов, не пересекающихся, а через каждую точку поля возможно провести не более одной силовой линии.
В случае, если количество силовых линий численно равно напряженности Е, они будут характеризовать не только направление поля, но и его напряженность. Количество линий подсчитывается на поверхности, расположенной перпендикулярно к каждой силовой линии. Данная площадка будет частью шаровой поверхности в случае единичного заряда.
Поток вектора напряженности электростатического поля – это количество силовых линий NE, которые пронизывают площадь S, перпендикулярно к ним.
В общем случае поток вектора напряженности через площадь S равен:
Где En – проекция вектора Е на нормаль n к поверхности.
В случае плоской поверхности и однородного поля поток вектора Е через площадь S или же ее проекцию S/ будет равен:
Где α – угол между нормалью n и векторами Е к поверхности S.
Например, необходимо определить напряженность в точке, лежащей на границе двух сред: воды (ε = 81) и воздуха (ε ≈ 1). В данной точке (точке перехода из воздуха в воду) согласно формуле (2) напряженность электростатического поля уменьшается в 81 раз. В аналогичное количество раз уменьшится и поток вектора напряженности. При решении задач расчета полей на стыках различных сред прерывность вектора Е вызывает определенные неудобства. Для упрощения расчетов вводят новый вектор D, который называют вектором электрического смещения (вектор индукции). Численно он равен:
Из сравнения формул (2) и (3а) следует, что для поля точечного заряда:
Электрическое смещение измеряется в Кл/м2 в системе СИ.
Уравнение (4) показывает, что от свойств среды не зависит электрическое смещение. Графически поле вектора D изображается аналогично полю вектора Е.
