uabooks.top

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.

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 и q₂ сводится к тому, что электрическое поле заряда действует на заряд q₂, а поле заряда q₂ действует на заряд q±.

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 Δί. 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.

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.

Итак, для изучения электрического поля в некоторой точке следует в эту точку поместить пробный заряд q и измерить действующую на него силу

Очевидно, что в точке, где на заряд действует большая сила, электрическое поле сильнее. Однако сила, действующая на пробный заряд в электрическом

поле, зависит от этого заряда. А вот отношение

от заряда не зависит, по

этому это отношение можно рассматривать как силовую характеристику поля.

Напряженность электрического поля Ё в данной точке — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле и равная отношению силы F, с которой электрическое поле действует на пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к значению q этого заряда:

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).

Формула

позволяет определить

единицу напряженности электрического поля:

Обратите внимание!

1. Формула

справедлива и для напряженности поля равномерно заряженной сферы на расстояниях, больших ее радиуса или равных ему, поскольку поле сферы вне сферы и на ее поверхности совпадает с полем точечного заряда, помещенного в центр сферы.

2. Если пространство вокруг заряда заполнить диэелектриком, то напряженность электрического поля, созданного этим зарядом, уменьшится в ε раз:

диэлектрическая проницаемость диэлектрика (см. § 43).

Пусть точечным зарядом Q создано электрическое поле в вакууме. Исследуем это поле с помощью пробного заряда q, расположенного на расстоянии г от заряда Q. Со стороны поля на пробный заряд q действует сила Кулона:

После подстановки получим формулу для вычисления модуля напряженности Е электрического поля, созданного в вакууме точечным зарядом Q на расстоянии г от этого заряда:

В чем суть принципа суперпозиции полей

Зная напряженность Е электрического поля, созданного некоторым зарядом в данной точке пространства, нетрудно определить модуль и направление вектора силы, с которой поле будет действовать на заряд q, помещенный в эту точку:

Если же поле создано несколькими зарядами, то результирующая сила, действующая на пробный заряд со стороны системы зарядов, определяется геометрической суммой сил, с которыми эти заряды действуют на данный пробный заряд:

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):

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).

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.

На основании картины силовых линий можно сделать вывод не только о направлении вектора напряженности Е, но и о его модуле. Действительно, для точечных зарядов напряженность поля возрастает по мере приближения к заряду, и, как видно из рис. 41.4, силовые линии при этом сгущаются.

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).

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

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

Силовая характеристика электрического поля — напряженность Е:

Напряженность электрического поля системы зарядов в данной точке

пространства равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых этими зарядами в данной точке:

Для графического изображения полей используют линии напряженности электрического поля (силовые линии), — линии, касательные к которым в любой точке совпадают с направлением вектора напряженности.

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

_гг

в этой точке, если известно, что поле действует на заряд с силой 2 10 Н. 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?

Напряженность поля точечного заряда на расстоянии 30 см от этого заряда — 600 Н/Кл. Чему равна напряженность поля на расстоянии 10 см от заряда? В вершинах квадрата со стороной а расположены одинаковые по модулю точечные заряды q. Определите напряженность поля в центре квадрата, если: а) все заряды положительные; б) один из зарядов отрицательный,

б. Два точечных заряда +q и —q расположены на расстоянии а друг от друга (см. рисунок). Найдите напряженность поля в точке А, которая делит отрезок, соединяющий заряды, пополам; напряженность поля в точках В и С.

 

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий