Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Бар’яхтар

§ 41. Електричне поле

Яким є механізм взаємодії зарядів? Яким чином заряди «відчувають» один одного і взаємодіють на відстані? Пошук відповідей на ці та багато інших запитань привів англійського фізика Майкла Фарадея до ідеї поля, яку Альберт Ейнштейн пізніше назвав найважливішим відкриттям із часів Ньютона. У курсі фізики ви вже зустрічалися з поняттям поля, а зараз ознайомитеся з ним детальніше.

Майкл Фарадей

(1791-1867)

1. Що називають електричним полем

Згідно з ідеєю М. Фарадея електричні заряди не діють один на одного безпосередньо. Кожний заряд створює у навколишньому просторі електричне поле, і взаємодія зарядів відбувається через їхні поля. Наприклад, взаємодія двох електричних зарядів q1 і q2 зводиться до того, що електричне поле заряду q1 діє на заряд q2, а поле заряду q2 діє на заряд q1.

Електричне поле поширюється в просторі з величезною, але скінченною швидкістю, — зі швидкістю поширення світла. Завдяки цій властивості взаємодія між двома зарядами починається не миттєво, а через певний інтервал часу Δt. Таке запізнення взаємодії важко виявити на відстанях у декілька метрів, але в космічних масштабах воно є досить помітним.

Людина не може безпосередньо, за допомогою органів чуття, сприймати електричне поле, проте його матеріальність, тобто об’єктивність існування, доведено експериментально.

Електричне поле — форма матерії, яка існує навколо заряджених тіл і виявляється в дії з деякою силою на заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.

Електричне поле є складовою єдиного електромагнітного поля. Джерелами електричного поля можуть бути рухомі й нерухомі електричні заряди та змінні магнітні поля.

Електричне поле, створене тільки нерухомими зарядами, є незмінним у часі (статичним). Таке поле називають електростатичним.

2. Що вважають силовою характеристикою електричного поля

Електричне поле, що оточує заряджене тіло, можна досліджувати за допомогою пробного заряду. Зрозуміло, що він не має змінювати досліджуване поле, тому як пробний заряд доцільно використовувати невеликий за значенням точковий заряд.

За напрямок вектора напруженості в даній точці електричного поля беруть напрямок сили, яка діяла б на пробний позитивний заряд, якби він був поміщений у цю точку поля (рис. 41.1).

3. У чому суть принципу суперпозиції полів

Звідси випливає принцип суперпозиції (накладання) електричних полів:

Напруженість електричного поля системи зарядів у даній точці простору дорівнює векторній сумі напруженостей полів, які створюються цими зарядами в даній точці (рис. 41.2):

Рис. 41.2. Визначення напруженості електричного поля в точці С. Поле створене двома точковими зарядами Qi і Q2

4. Як зробити видимим розподіл поля в просторі

Електричне поле можна зобразити графічно, використавши лінії напруженості електричного поля (силові лінії), — лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком вектора напруженості електричного поля (рис. 41.3).

Рис. 41.3. Силова лінія електричного поля (на рисунку зображена червоним)

Силові лінії електричного поля мають загальні властивості (це випливає з їх означення): вони не перетинаються; не мають зламів; починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних.

Дуже просто побудувати силові лінії поля, створеного відокремленим точковим зарядом (рис. 41.4). Такі «родини» силових ліній полів точкових зарядів демонструють, що заряди є джерелами поля.

Рис. 41.4. Силові лінії електричного поля, створеного точковим зарядом: а — позитивним; б — негативним

Якщо відстань між лініями напруженості в деякій області простору є однаковою, то однаковою є і напруженість поля в цій області. Електричне поле, вектори напруженості якого однакові в усіх точках простору, називають однорідним.

Побудувати точну картину силових ліній електричного поля, створеного будь-яким зарядженим тілом, досить важко, саме тому зазвичай обмежуються наближеним зображенням картини, керуючись певною симетрією в розташуванні зарядів (рис. 41.5).

Рис. 41.5. Картина силових ліній електричного поля, створеного системою двох пластин, заряди яких рівні за модулем і протилежні за знаком. Синім позначено напрямки векторів напруженості

Зверніть увагу на картину силових ліній поля, створеного системою двох різнойменно заряджених пластин (див. рис. 41.5): в області простору між пластинами, розташованій порівняно далеко від країв пластин (на рисунку ця область зафарбована), лінії напруженості паралельні й відстані між ними однакові, тобто поле в цій області є однорідним.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. Що називають електричним полем? 2. Які об’єкти створюють електричне поле? 3. Що є силовою характеристикою електричного поля? За якою формулою її розраховують? 4. Як визначити напруженість поля, створеного точковим зарядом Q? 5. У чому полягає принцип суперпозиції полів? 6. Що називають лінією напруженості електричного поля? 7. Чи можуть лінії напруженості електричного поля перетинатися? бути паралельними?

Вправа № 41

1. З якою силою електричне поле напруженістю 250 Н/Кл діє на заряд 40 нКл?

2. Точковий електричний заряд 8 • 10-10 Кл розташований у деякій точці електричного поля. Визначте напруженість електричного поля в цій точці, якщо відомо, що поле діє на заряд із силою 2 • 10-7 Н.

3. Як рухатиметься електрон, що влетів в однорідне електричне поле: а) в напрямку, протилежному напрямку силових ліній? б) перпендикулярно до напрямку силових ліній? Як рухатиметься в таких випадках протон?

4. Напруженість поля точкового заряду на відстані 30 см від цього заряду — 600 Н/Кл. Чому дорівнює напруженість поля на відстані 10 см від заряду?

5. У вершинах квадрата зі стороною а розташовані однакові за модулем точкові заряди q. Визначте напруженість поля в центрі квадрата, якщо: а) всі заряди позитивні; б) один із зарядів негативний.