Фізика 11 клас (Остапенко Т.М.)

ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ. НАПРУЖЕНІСТЬ

    Дія зарядженого тіла на оточуючі тіла проявляається у вигляді сил притягання і відштовхування.

   f

Демонстрація того, що навколо заряджених тіл існуєелектричне поле

    Розглянемо, наприклад, позитивно заряджене тіло. Якщо до цього тіла піднести негативно заряджену кульку, то кулька почне притягуватись до тіла; якщо позитивно заряджену - то відштовхуватись. Крім того, якщо змінювати положення кульки в просторі відносно зарядженого тіла, то характер взаємодії кульки і тіла не зміниться, змінюватиметься лише відхилення кульки на мотузці, що свідчитиме про зміну сили взаємодії.

    З цього досліду можна зробити висновок, що електрична сила діє збоку зарядженого тіла на заряджену кульку в кожній точці простору, а величина цієї сили залежить від відстані між зарядженими тілами і їх зарядами (висновок із закону Кулона). Для повної характеристики заряду тіла необхідно знати, яку дію він чинить у буд-якій точці простору або, як говорять, необхідно знати електричне поле, яке виникає навколо зарядженого тіла. Таким чином, під поняттям «електричне поле» ми визначаємо простір, у якому проявляється дія електричного заряду.

         Електричне поле - простір, у якому проявляється дія електричного заряду.

   Якщо є не один, а декілька зарядів, які розміщені у різних місцях, то у будь-якій точці навколишнього простору проявиться сумісна дія цих зарядів, тобто електричне поле, яке створюється всіма цими зарядами.

   Можна уявити собі електричне поле як особливу форму чи вид матерії, з допомогою якої проявляється польова (безконтактна) взаємодія тіл. Звідси можна сформулювати ще одне означення електричного поля:

Електричне поле - це особливий вид матерії, засобами якої взаємодіють електрично заряджені тіла.

  ВЛАСТИВОСТІ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ:

• → Електричне поле породжується нерухомими електричними зарядами.
• → Електричне поле можна виявити за його дією на нерухомі електричні заряди.

    Які ж характеристики має електричне поле?

   Оскільки електричне поле виявляється дією на електричні заряди, то перш ніж говорити про характеристики електричного поля введемо поняття «пробний заряд». З допомогою пробного заряду ми будемо надалі визначати властивості і характеристики електричних полів, які створюються різними зарядженими тілами. Пробний заряд - це деяка фізична модель, на яку накладаються такі обмеження:

• → Пробний заряд є завжди позитивним;
• → Пробний заряд є точковим;
• → Пробний заряд має таку величину , щоб власне електричне поле пробного заряду не спотворювало електричне поле, у яке внесений цей заряд.

   Нехай електричне поле створюється деяким нерухомим зарядом . Внесемо в поле цього заряду «пробний заряд»  і визначимо силу , яка діятиме збоку заряду  на заряд . Це можна зробити, наприклад, якщо нанести «пробний заряд» на легку кульку, яка підвішена на шовковій нитці, і щоразу вимірювати кут відхилення кульки з її віддаленням від заряду . За законом Кулона ця сила пропорційна до величини заряду . У скільки разів ми збільшимо заряд  , у стільки разів збільшиться і сила . Тому співвідношення   вже не залежить від величини пробного заряду  і характеризує виключно електричне поле заряду   у тій точці, де знаходиться пробний заряд . Такий же принцип діє і в електричному полі інших тіл, а не лише у полі зарядженої кулі.

   Співвідношення   чисельно дорівнює силі, що діє збоку заряду-джерела поля на одиничний заряд, внесений в це поле. Це співвідношення приймають за кількісну міру поля і називають напруженістю електричного поля. Таким же чином буде характеризуватись поле, яке створюється не одним, а сукупністю зарядів.

Лінії напруженості поля позитивнозарядженої кульки

Лінії напруженості поля негативнозарядженої кульки

Отже,

Напруженість електричного поля у даній точці простору  - це фізична величина, що чисельно дорівнює силі, що діє збоку поля на одиничний заряд, внесений в дану точку поля.

Якщо позначити напруженість поля в деякій точці через , заряд, який знаходиться в цій точці через  і силу яка діє на цей заряд збоку поля , то

  У SI напруженість вимірюється у  або у . Чому напруженість вимірюється у вольтах на метр ми пояснимо у наступних уроках.

  це напруженість електричного поля, у якому на заряд в 1 Кл збоку поля діє сила в 1 Н.

   Ми визначили напруженість електричного поля як фізичну величину, яка чисельно дорівнює силі, що діє на одиничний заряд. Однак будь-яка сила визначається не лише величиною, а й напрямком. Тому для повної характеристики напруженості слід вказати її напрямок. Оскільки напруженість чисельно дорівнює силі, поділеній на заряд, а сила - це векторна величина, заряд - скалярна, то й напрямок напруженості має збігатись з напрямком сили, що діє на пробний заряд. Пробний заряд - це завжди позитивний заряд, тому:

за напрям напруженості поля приймають напрям сили, що діє збоку поля на позитивний заряд, внесений в це поле.

Якщо електричне поле створюється не одним, а декількома зарядами, то напруженість результуючого електричного поля визначається як векторна сума напруженостей полів, що створюються окремими зарядами.

   Цей принцип визначення напруженості поля, що створюється сукупністю зарядів, отримав назву ПРИНЦИПУ СУПЕРПОЗИЦІЇ.

   Для наочного описання електричного поля можна скористатись його графічним зображенням. Цей спосіб зводиться до побудови мережі ліній, з допомогою яких зображають модуль і напрям поля в різних його точках. Яким же чином зображають електричні поля?

   Припустимо, що ми маємо позитивний точковий заряд . Навколо цього заряду існує електричне поле. Внесемо в це поле пробний заряд  і будемо його віддаляти вздовж прямої  від . Для кожної точки прямої, у якій знаходитиметься пробний заряд, знайдемо напрям сили, що діє на нього збоку поля. Якщо віддаляти пробний заряд вздовж прямої, то всі вектори сил лежатимуть на одній прямій і будуть напрямлені в одному напрямі (будуть колінеарними і однонапрямленими). У цьому ж сторону буде спрямований і вектор напруженості електричного поля заряду . Спрямуємо вздовж  всіх побудованих нами векторів сил своєрідний «промінь», який  співпадатиме з векторами сил за напрямком. Цей, умовно кажучи, «промінь» називаютьсиловою лінією (оскільки вона напрямлена вздовж векторів сил) або лінією напруженості електричного поля.

Графічне зображення електричного поля навколо позитивного заряду. Лінії напруженості поля виходять з позитивного заряду	Графічне зображення електричного поля навколо негативного заряду. Лінії напруженості поля входять у негативний заряд

   Якщо дослід з переміщенням пробного заряду   у полі заряду  ми проведемо багато разів для різноманітних напрямків переміщення, щоразу будуючи силову лінію, то ми побачимо, що таких силових ліній буде безліч. Всі ці силові лінії починатимуться на поверхні заряду  і будуть спрямовані у нескінченість (подібно до променів Сонця).

  Якщо провести аналогічний дослід, але заряд  взяти негативний, то лінії напруженості в цьому випадку будуть спрямовані з нескінченості до поверхні негативного заряду . Ці замкнені на нескінченості, прямі - лінії напруженості електричного поля (або силові лінії) і є графічним зображенням електричного поля.

   Слід зауважити, що ці лініє є не обов'язково прямими. Якщо поле створюється не одним, а кількома зарядами, то лінії напруженості поля мають форму кривих.

Електричне поле між двома різнойменно зарядженими кульками. В електричному полі металеві ошурки вишиковуються вздовж силових ліній поля	Електричне поле між двома однойменно зарядженими кульками

Графічне зображення електричного поля з допомогою ліній напруженості поля

   Щоб знайти з допомогою цих кривих напрям сили, що діє на пробний заряд, поміщений в дану точку поля, необхідно в цій точці поля до лінії напруженості провести дотичну. Вздовж цієї дотичної у напрямку лінії напруженості і буде спрямованаий вектор електричної сили (і вектор напруженості), яка діє збоку поля на пробний заряд, поміщений в дану точку поля.

Зображення напряму напруженості поля в точці між двома зарядженими кульками	Вектор напруженості електричного поля напрямлений по дотичній до силової лінії

Позитивні заряди рухаються вздовж ліній напруженості електричного поля, а негативні - проти

Поле, напруженість якого у всіх точках одна й та сама за модулем і напрямком, називається однорідним.

Властивості ліній напруженості електричного поля:

1. Через будь-яку точку простору завжди можна провести лінію поля.
2. Силові лінії поля не перетинаються.
3. Лінії поля не обриваються. Вони починаються і закінчуються на електричних зарядах, і напрямлені від позитивних зарядів до негативних.
4. Всередині провідників немає ліній поля.
5. Лінії поля напрямлені перпендикулярно до поверхні провідника.

Висновки:

• → Напруженість - це силова характеристика електричного поля.
• → Напрям вектора напруженості співпадає з напрямом вектора сили, що діє збоку поля на пробний заряд, внесений в це поле.
• → Графічне зображення поля - силові лінії або лінії напруженості поля.
• → Електрична сила, що діє збоку поля на пробний заряд, внесений в це поле, напрямлена по дотичні до ліній напруженості поля.