Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар
§ 20. Електричне поле
Згадайте, як під час розчісування сухе й чисте волосся «тягнеться» за пластмасовим гребінцем. У цьому випадку відбувається електризація: і волосся, і гребінець набувають електричного заряду. А ось чому волосся навіть на відстані повторює рухи гребінця (немов кобра — рухи дудки індійського факіра), ви дізнаєтесь із цього параграфа.
1. Спостерігаємо взаємодію заряджених тіл
Із § 19 ви довідалися, що заряджена паличка притягує незаряджені клаптики паперу. Якщо ви проводили відповідний експеримент, то, напевно, звернули увагу на те, що клаптики паперу «відчували» наближення палички заздалегідь, ще до того, як паличка їх торкалася. Тобто заряджена паличка діє на інші об’єкти на відстані!
Проведемо ще один експеримент. Нам знадобляться натерта графітом маленька повітряна кулька*, підвішена на шовковій нитці, ебонітова паличка, шматок вовняної тканини, аркуш паперу та пластина з оргскла.
Наелектризуємо ебонітову паличку, потерши її об вовну. Потім торкнемося паличкою до підвішеної на нитці кульки — кулька отримає негативний заряд. Потремо пластину з оргскла папером — пластина набуде позитивного заряду. Почнемо повільно підносити пластину до кульки. У міру її наближення нитка, на якій підвішена кулька, почне відхилятися від вертикалі. Якщо ж зупинити зближування, то кулька так і залишиться неприродно відхиленою (рис. 20.1, а). Понад те, піднявши пластину над кулькою, ми можемо змусити кульку завмерти в ще більш неприродному для неї положенні (рис. 20.1, б). Що ж відбувається?
* Дуже м’яким простим олівцем замалюйте клаптик паперу і натріть цим клаптиком кульку.
2. Даємо означення електричного поля
З описаного вище експерименту можна зробити висновок про те, що наелектризована пластина викликає певні зміни в просторі навколо себе. А саме: стан простору змінюється таким чином, що на заряджену кульку починає діяти деяка сила. У цьому випадку кажуть, що в просторі існує електричне поле.
Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, які мають електричний заряд.
Таким чином, електрична взаємодія наелектризованої пластини й зарядженої кульки здійснюється за допомогою електричного поля. Коли заряджена кулька потрапляє в електричне поле наелектризованої пластини, це поле починає діяти на кульку з деякою силою, в результаті чого кулька відхиляється.
Слід мати на увазі, що не тільки заряджена пластина своїм електричним полем діє на заряджену кульку, — кулька своїм електричним полем теж діє на пластину.
Поясніть, чому пластина при цьому не відхиляється.
3. Характеризуємо електричне поле
Органи чуттів людини не сприймають електричне поле зарядженого тіла — ми не можемо це поле побачити, почути, відчути на дотик. А як же дізнатися, які властивості воно має? Сподіваємося, ви вже здогадалися: вивчати електричне поле можна за його дією на заряджені частинки або тіла.
Саме ця дія підтверджує той факт, що електричне поле є матеріальним, адже, по-перше, воно діє на матеріальні об’єкти (заряджену кульку, клаптик паперу, струмінь води) і, по-друге, діє незалежно від людини.
Проведемо дослід, скориставшись металевою сферою, розташованою на пластмасовій підставці. Ретельно наелектризуємо скляну паличку, потерши її об папір, і торкнемося паличкою сфери. Сфера набуде позитивного заряду (рис. 20.2). Простір навколо сфери зміниться — біля неї існуватиме електричне поле. Будемо вивчати це поле за допомогою натертої графітом повітряної кульки, зарядженої позитивно (рис. 20.3).
Дослід продемонструє, що, по-перше, електричне поле існує в будь-якій точці простору, що оточує заряд (заряджену сферу); по-друге, з віддаленням від заряду поле стає слабшим. Ми можемо також стверджувати, що електричне поле має енергію, адже через роботу поля кулька набуває руху, відхиляючись на деякий кут.
Ми виявили лише деякі властивості електричного поля. Детальніше про нього ви дізнаєтеся в старших класах, а поки що звернемо увагу ось на що: електричне поле може існувати будь-де, навіть у вакуумі.
4. Зображуємо електричне поле графічно
Коли ви хочете якнайкраще розповісти про місце, в якому побували, або про нового друга, то що ви, скоріш за все, зробите? Напевно, багато хто відповість: «Покажу фотографії».
На жаль, електричне поле сфотографувати неможливо. Англійський фізик Майкл Фарадей запропонував зображувати електричне поле графічно за допомогою силових ліній і таким чином візуалізувати його.
Рис. 20.2. Під час дотику до сфери позитивно зарядженої палички сфера набуває позитивного заряду
Рис. 20.3. Дослідження електричного поля зарядженої сфери: електричне поле сфери діє на заряджену кульку в будь-якій точці поблизу сфери; зі збільшенням відстані від сфери сила, що діє на кульку з боку електричного поля сфери, зменшується
Силові лінії електричного поля, — це умовні лінії, уздовж дотичних до яких на заряджене тіло діє сила з боку електричного поля.
За напрямком силових ліній можна визначити напрямок, у якому електричне поле діє на електричний заряд. Щільність силових ліній на рисунку показує, наскільки сильним є електричне поле: чим сильніше електричне поле, тим щільніше розташовані лінії.
Спробуйте визначити, куди буде напрямлена сила, що діє на негативний заряд, поміщений у точку В (див. рис. 20.4), і дізнатися, в якій точці (А чи В) електричне поле є сильнішим.
У загальному випадку лінії електричного поля є кривими, але можуть бути й прямими. Наприклад, силові лінії електричного поля рівномірно зарядженої кульки, віддаленої від інших заряджених тіл, — прямі лінії (рис. 20.5, а, б). Прямими є і силові лінії електричного поля між двома паралельними пластинами, які мають однакові за значенням і протилежні за знаками заряди (рис. 20.5, в).
Рис. 20.5. Картини силових ліній електричних полів, створених: а — негативно зарядженою кулькою; б — позитивно зарядженою кулькою; в — системою двох паралельних пластин, заряди яких однакові за модулем і протилежні за знаком; г — системою двох кульок, що мають однакові позитивні заряди
Зверніть увагу: силові лінії електричного поля починаються на позитивному заряді й закінчуються на негативному (див., наприклад, рис. 20.4, 20.5).
5. Дізнаємося про вплив електричного поля на організм людини
Експериментально доведено, що поверхня Землі заряджена негативно, а верхні шари атмосфери — позитивно, отже, в атмосфері Землі існує електричне поле. З розвитком цивілізації це природне поле доповнилось електричними полями, створюваними різними електротехнічними пристроями, що їх використовує людина.
Сьогодні відомо, що клітини й тканини організму людини також створюють навколо себе електричні поля. Реєстрацію та вимірювання цих полів широко застосовують для діагностування різних захворювань (електроенцефалографія, електрокардіографія, електроретинографія та ін.).
Ми живемо у справжньому павутинні, зітканому з величезної кількості електричних полів. Довгий час вважалося, що вони не впливають на людей, проте зараз з’ясовано, що дія зовнішнього електричного поля на клітини й тканини організму людини, особливо тривала, призводить до негативних наслідків.
Так, під час роботи комп’ютера на екрані монітора накопичується електричний заряд, який і утворює електричне поле. Клавіатура й комп’ютерна миша також електризуються в результаті тертя. Під впливом цих електричних полів у користувача змінюються гормональний стан і біоструми мозку, що може спричинити погіршення пам’яті, підвищену стомлюваність та ін.
Чому для здоров’я людини краще носити одяг, виготовлений з натуральних тканин, наприклад із бавовни, а не синтетичний?
Що ж робити? Адже зовсім відмовитися від роботи за комп’ютером, перегляду телевізора, використання побутової техніки, яка теж є джерелом електричних полів, досить важко. Так само нелегко зовсім відмовитися від синтетичних тканин. Розв’язати проблему можна, послабивши електричне поле, наприклад, шляхом підвищення вологості повітря або застосування антистатиків. Ефективніший, але й дорожчий спосіб — штучна йонізація повітря, насичення його легкими негативними йонами. Із цією метою застосовують аеройонізатори — генератори негативних йонів повітря.
Підбиваємо підсумки
Якщо в просторі виявляється дія сил на електричні заряди, то кажуть, що в просторі існує електричне поле.
Електричне поле — це особлива форма матерії, яка існує навколо заряджених тіл або частинок і діє з певною силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд.
Існує зручний спосіб наочного опису електричних полів, а саме їх графічне зображення за допомогою силових ліній електричного поля — умовних ліній, уздовж дотичних до яких на заряджене тіло діє сила з боку електричного поля. За напрямком силових ліній можна визначити напрямок, у якому електричне поле діє на електричний заряд.
Від впливу зовнішніх електричних полів залежать загальне самопочуття людини, функціональний стан основних систем організму.
Контрольні запитання
1. Як експериментально довести, що тіла, які мають електричний заряд, взаємодіють навіть на відстані? 2. Що таке електричне поле? 3. Як визначити, чи існує в певній точці простору електричне поле? 4. Назвіть основні властивості електричного поля. 5. Дайте означення силових ліній електричного поля. 6. Як напрямлені силові лінії електричного поля? 7. Який вигляд має картина силових ліній електричного поля позитивно зарядженої сфери? негативно зарядженої сфери? 8. Який вплив на організм людини чинять електричні поля, створювані різними електротехнічними пристроями?
Вправа № 20
1. На рис. 1 зображено силові лінії електричного поля між двома парами заряджених пластин. Електричне поле між якими пластинами є більш інтенсивним? Визначте знак заряду кожної пластини.
Рис. 1
2. На рис. 2 зображено лінії електричних полів, створених двома різними за модулем зарядами. Для кожного випадку визначте: 1) напрямок силових ліній; 2) який заряд більший за модулем; 3) напрямок сили, яка діє на позитивний заряд, розташований у точці А; 4) напрямок сили, яка діє на негативний заряд, розташований у точці В.
Рис. 2
3. Між двома різнойменно зарядженими пластинами зависла негативно заряджена крапелька олії масою 3,2 мг (рис. 3). Визначте напрямок і значення сили, яка діє на крапельку з боку електричного поля пластин, а також знак заряду кожної пластини.
Рис. 3
4. Визначте силу натягу нитки (див. рис. 20.1, б), якщо електричне поле діє на кульку із силою 56 мН, об’єм кульки — 4 см3, середня густина — 0,6 г/см3.
5. Один із перших аеройонізаторів, який використовується й сьогодні, — люстра Чижевського. Прилад генерує негативні йони — «електричні вітаміни», як називав їх винахідник приладу Олександр Леонідович Чижевський. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про цей винахід і його автора.
6. Чи може частинка мати електричний заряд, що дорівнює 8 • 10-19 Кл? -2,4 • 10-19 Кл? 2,4 • 10-18 Кл? Поясніть свою відповідь.
Експериментальні завдання
1. Запропонуйте кілька індикаторів електричного поля, випробуйте їх.
2. «Летюча вата». Приготуйте розпушений шматочок вати діаметром не більш ніж 1 см і помістіть його на наелектризовану пластмасову лінійку. Різко струснувши лінійку, доможіться, щоб шматочок почав «плавати» над нею в повітрі. Поясніть спостережуване явище. Виконайте рисунок, на якому зазначте сили, що діють на вату.