Физика. Уровень стандарта. 10 класс. Барьяхтар

§ 41. Электрическое поле

Каков механизм взаимодействия зарядов? Каким образом заряды «чувствуют» друг друга и взаимодействуют на расстоянии? Поиск ответов на эти и многие другие вопросы привел английского физика Майкла Фарадея к идее поля, которую Альберт Эйнштейн позже назвал важнейшим открытием со времен Ньютона. В курсе физики вы уже встречались с понятием поля, а сейчас ознакомитесь с ним подробнее.

Майкл Фарадей

(1791-1867)

1. Что называют электрическим полем

Согласно идее М. Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый заряд создает в окружающем пространстве электрическое поле, и взаимодействие зарядов происходит через их поля. Например, взаимодействие двух электрических зарядов q1 и q2 сводится к тому, что электрическое поле заряда q1 действует на заряд q2, а поле заряда q2 действует на заряд q1.

Электрическое поле распространяется в пространстве с огромной, но конечной скоростью, — со скоростью распространения света. Благодаря этому свойству взаимодействие между двумя зарядами начинается не мгновенно, а через определенный интервал времени △t. Такую задержку взаимодействия трудно обнаружить на расстояниях в несколько метров, но в космических масштабах она достаточно заметна.

Человек не может непосредственно, с помощью органов чувств, воспринимать электрическое поле, однако его материальность, то есть объективность существования, доказана экспериментально.

Электрическое поле — форма материи, которая существует вокруг заряженных тел и проявляется в действии с некоторой силой на любое заряженное тело, находящееся в этом поле.

Электрическое поле является составляющей единого электромагнитного поля. Источниками электрического поля могут быть подвижные и неподвижные электрические заряды и переменные магнитные поля.

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, постоянно во времени (статично). Такое поле называют электростатическим.

2. Что считают силовой характеристикой электрического поля

Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью пробного заряда. Понятно, что он не должен изменять исследуемое поле, потому в качестве пробного заряда целесообразно использовать небольшой по значению точечный заряд.

За направление вектора напряженности в данной точке электрического поля принимают направление силы, которая действовала бы на пробный положительный заряд, если бы он был помещен в данную точку поля (рис. 41.1).

3. В чем суть принципа суперпозиции полей

Отсюда следует принцип суперпозиции (наложения) электрических полей:

Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке пространства равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых этими зарядами в данной точке (рис. 41.2):

Рис. 41.2. Определение напряженности электрического поля в точке С. Поле создано двумя точечными зарядами Q1 и Q2

4. Как сделать видимым распределение поля в пространстве

Электрическое поле можно изобразить графически, используя линии напряженности электрического поля (силовые линии), — линии, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора напряженности электрического поля (рис. 41.3).

Рис. 41.3. Силовая линия электрического поля (на рисунке изображена красным)

Силовые линии электрического поля имеют общие свойства (это следует из их определения): они не пересекаются; не имеют изломов; начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Очень просто построить силовые линии поля, созданного неподвижным уединенным точечным зарядом (рис. 41.4). Такие «семьи» силовых линий полей точечных зарядов показывают, что заряды являются источниками поля.

Рис. 41.4. Силовые линии электростатического поля, созданного точечным зарядом: а — положительным; б — отрицательным

Если в некоторой области пространства линии напряженности параллельны и расстояния между ними одинаковы, то одинакова и напряженность поля в этой области. Электрическое поле, напряженность которого одинакова во всех точках, называют однородным.

Построить точную картину силовых линий электрического поля, созданного любым заряженным телом, достаточно трудно, поэтому обычно ограничиваются приблизительной картиной, руководствуясь определенной симметрией в расположении зарядов (рис. 41.5).

Рис. 41.5. Картина силовых линий электрического поля, созданного системой двух пластин, заряды которых равны по модулю и противоположны по знаку. Синим обозначены направления векторов напряженности

Обратите внимание на картину силовых линий поля, созданного системой двух разноименно заряженных пластин (см. рис. 41.5): в области пространства между пластинами, расположенной сравнительно далеко от краев пластин (на рисунке эта область закрашена), линии напряженности параллельны и расстояния между ними одинаковы, то есть поле в этой области является однородным.

Подводим итоги

Контрольные вопросы

1. Что называют электрическим полем? 2. Какие объекты создают электрическое поле? 3. Что является силовой характеристикой электрического поля? По какой формуле ее рассчитывают? 4. Как определить напряженность поля, созданного точечным зарядом Q? 5. В чем заключается принцип суперпозиции полей? 6. Что называют линией напряженности электрического поля? 7. Могут ли линии напряженности электрического поля пересекаться? быть параллельными?

Упражнение № 41

1. С какой силой электрическое поле напряженностью 250 Н/Кл действует на заряд 40 нКл?

2. Точечный электрический заряд 8 • 10-10 Кл расположен в некоторой точке электрического поля. Определите напряженность электрического поля в этой точке, если известно, что поле действует на заряд с силой 2 • 10-7 Н.

3. Как будет двигаться электрон, который влетел в однородное электрическое поле: а) в направлении, противоположном направлению силовых линий? б) перпендикулярно направлению силовых линий? Как будет двигаться в таких случаях протон?

4. Напряженность поля точечного заряда на расстоянии 30 см от этого заряда — 600 Н/Кл. Чему равна напряженность поля на расстоянии 10 см от заряда?

5. В вершинах квадрата со стороной a расположены одинаковые по модулю точечные заряды q. Определите напряженность поля в центре квадрата, если: а) все заряды положительные; б) один из зарядов отрицательный.

6. Два точечных заряда + q и -q расположены на расстоянии а друг от друга (см. рисунок). Найдите напряженность поля в точке A, которая делит отрезок, соединяющий заряды, пополам; напряженность поля в точках B и C.