Фізика. 8 клас. Пістун

§ 24. Електричне поле. Силові лінії електричного поля

  • Яку взаємодію називають електричною?
  • Що характеризує фізична величина «енергія»?

1. Ви спостерігали і самі виконали вже досить багато дослідів, які свідчать про те, що заряджені тіла взаємодіють одне з одним. Вони притягуються або відштовхуються, внаслідок цього змінюють своє положення, траєкторію руху. Проте причини виникнення подібної взаємодії заряджених тіл довго залишалися незрозумілими.

Учені XIX ст. висували дві гіпотези для пояснення взаємодії заряджених тіл:

  • 1) заряджені тіла взаємодіють через порожнечу і миттєво;
  • 2) заряджені тіла взаємодіють через посередника — поле, яке породжують самі заряджені тіла, і не миттєво.

Відповісти на питання про те, яка з гіпотез правильна, було дуже непросто, пошуком відповіді займалися вчені багатьох країн протягом багатьох десятиліть. І тільки в кінці XIX ст. було встановлено, що перша із запропонованих гіпотез неправильна.

2. З’ясуємо, чи не передається взаємодія заряджених тіл через повітря. Інакше кажучи, чи не є повітря тим посередником, через який здійснюється взаємодія заряджених тіл? Для цього помістимо заряджений електроскоп під ковпак повітряного насоса (рис. 61). Відкачаємо з-під нього повітря. Дослід показує, що і в безповітряному просторі листочки електроскопа, як і раніше, відштовхуються один від одного.

Отже, електрична взаємодія передається не через повітря. Проте, виходячи з цього досліду, не можна відповісти на запитання: заряджені тіла діють один на одного через порожнечу чи між ними все ж існує якийсь матеріальний посередник, хоч ми його і не бачимо?

Рис. 61

3. Прихильники другої гіпотези — англійські вчені Майкл Фарадей (1791-1867) і Джеймс Максвелл (1831-1879) стверджували, що простір, що оточує заряджене тіло, відрізняється від звичайного простору, в якому знаходяться незаряджені тіла. У просторі, де є електрично заряджені тіла, існує електричне поле. Саме за допомогою електричного поля одне заряджене тіло діє на інше.

4. Найбільш суттєва особливість електричного поля — його матеріальність, тобто електричне поле — вид матерії. До цього часу вам був знайомий лише один вид матерії — речовина. У тому, що речовина реальна, що вона існує незалежно від нас, переконатися неважко: вона так чи інакше діє на органи чуття. Для спостереження за будь-яким об’єктом речовини використовуються зір, слух, дотик і т. ін.; саме вони дають нам інформацію про об’єкт або явище, що спостерігається, і переконують в їхньому існуванні.

Електричне поле відрізняється від речовини насамперед тим, що його не можна безпосередньо сприймати за допомогою органів чуття. В існуванні електричного поля можна переконатися тільки за його діями.

Уявіть собі, що ви не знаєте, існує електричне поле біля металевої кулі A чи його немає (рис. 62). Заряджена куля чи ні, ви теж не знаєте. Чи можна це як-небудь з’ясувати? Можна, і ви навіть знаєте як: якщо маленька незаряджена кулька з металевої фольги В ніяк не реагує на велику, — поля немає. Якщо ж вона притягнеться, то куля A заряджена і за допомогою електричного поля діє на кульку В. Отже, навколо кожного зарядженого тіла існує електричне поле. Якщо в поле зарядженого тіла помістити інше заряджене тіло, ці тіла почнуть взаємодіяти — притягатися або відштовхуватися одне від одного. При цьому сила їхньої взаємодії буде залежати від відстані між зарядженими тілами. Чим ближче один до одного розташовані заряджені тіла, тим сильніше вони будуть притягатися або відштовхуватися, тобто тим сильнішою буде їхня взаємодія.

Рис. 62

5. Ви вже знаєте, що електрична взаємодія передається завдяки електричному полю. Електричне поле матеріальне, тобто реально існує біля всіх заряджених тіл, однак побачити його неможливо. Це створює певні незручності для його вивчення. Тому вченими була запропонована модель, яка характеризує електричне поле та силу, з якою поле діє на деякий заряд.

Проведемо дослід. Скористаємося тим, що сухе чисте волосся, як і хутро, легко електризуються. Дрібно пострижемо волосся і насинимо його рівним шаром на скло. Помістимо скло над наелектризованою кулею. Дрібні шматочки волосся злегка переорієнтуються, і можна побачити картину, подібну до тієї, що зображена на рисунку 63.

Якщо повторити дослід, але взяти не одне наелектризоване тіло, а два і зарядити їх спочатку різнойменними, а потім однойменними зарядами, то волосся розташується так, як показано на рисунку 64.

Рис. 63

Рис. 64

6. Лінії, уздовж яких розташовуються волосинки, називають силовими лініями електричного поля.

Силові лінії електричного поля — це певна модель, що характеризує електричне поле і дозволяє уявити собі його наочно. Насправді силових ліній не існує, як не існує, наприклад, паралелей і меридіанів на земній кулі.

Силові лінії електричного поля неперервні і ніколи не перетинаються. Якщо в будь-яку точку електричного поля помістити невеликий позитивний точковий заряд, то дотична, проведена в цій точці до силових ліній, збігається з напрямком сили, з якою електричне поле діє на даний заряд у даній точці.

Прийнято вважати, що силові лінії електричного поля починаються на позитивно заряджених тілах, а закінчуються — на негативно заряджених (для одиночних заряджених тіл силові лінії йдуть у нескінченність).

Силові лінії поля, створеного позитивним точковим зарядом, виглядають так, як показано на рисунку 65, а), а негативним — на рисунку 65, б). Силові лінії в першому випадку спрямовані від позитивно зарядженого тіла, а в другому — в бік негативно зарядженого.

На рисунку 66 зображені силові лінії різних електричних полів: двох різнойменно заряджених кульок (рис. 66, а); двох однойменно заряджених кульок (рис. 66, б); двох пластин, заряди яких протилежні за знаком і рівні за модулем (рис. 66, в)

Рис. 65

За густиною силових ліній можна судити про величину електричного поля: чим густіші лінії, тим сильніше поле, тобто тим з більшою силою воно діє на позитивний заряд, який міг би виявитися в цьому полі. Зверніть увагу на рисунок 66, в): силові лінії паралельні одна одній — це означає, що поле у всіх точках простору між пластинами однакове. Подібного роду електричне поле називають однорідним.

Рис. 66

Запитання для самоперевірки

  • 1. Які гіпотези висувалися для пояснення взаємодії заряджених тіл?
  • 2. Які висновки можна зробити з досліду, установка для проведення якого зображена на рисунку 61?
  • 3. Як ви можете пояснити, що таке електричне поле?
  • 4. Як можна виявити електричне поле? Наведіть приклад.
  • 5. Що таке силові лінії електричного поля?
  • 6. Для чого вводяться силові лінії електричного поля?
  • 7. Як взаємопов’язані напрямки силових ліній і сил, що діють на позитивно заряджене тіло у різних точках електричного поля?
  • 8. Про що можна судити за густотою силових ліній електричного поля?
  • 9. Яке електричне поле називають однорідним?
  • 10. Чи існують у природі силові лінії?

Завдання 24

  • 1. Легка незаряджена металева порошинка А знаходиться в електричному полі зарядженої кулі В (рис. 67). Визначте напрям сили, що діє на порошинку з боку поля, яке створене зарядженою кулею.
  • 2. Куди почне рухатися маленьке позитивно заряджене тіло, яке опинилося в полі позитивно зарядженої кулі (рис. 68)?
  • 3. Два точкові заряди, значення заряду одного з яких у 2 рази більше за інше, помістили в поле великої однойменно зарядженої кулі на однакових відстанях від неї, як показано на рисунку 69. Що ви можете сказати про сили, що діють на ці точкові заряди? Чи зміняться ці сили, якщо заряд кулі збільшити?

Рис. 67

Рис. 68

Рис. 69

  • 4*. Одне і те саме невелике заряджене тіло поміщають у різні точки електричного поля, створеного точковим зарядом q, як показано на рисунку 70. У яких точках на заряджене тіло будуть діяти: найбільша сила; найменша сила; рівні сили?
  • 5. На рисунку 71 зображені силові лінії полів, створені двома позитивно зарядженими тілами. Який з цих зарядів більший за величиною?

Рис. 70

Рис. 71

  • 6*. Чому силові лінії електричного поля не перетинаються? Відповідь обґрунтуйте.
  • 7*. Намалюйте силові лінії поля позитивно зарядженої палички.
  • 8. Запропонуйте спосіб виявлення електричного поля поблизу зарядженого тіла та випробуйте його.