Підручник Фізика 8 клас - М. I. Шут - Перун 2016 рік

ЧАСТИНА II ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

Розділ 4. ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА

§ 25 ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ. СИЛОВА ХАРАКТЕРИСТИКА ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ

Згідно теорії далекодії вважалося, то заряди миттєво діють через порожнечу один на одного без участі будь якого матеріального посередника. При цьому кожний заряд як би «відчуває» на відстані присутність іншого. Теорія далекодії сьогодні представляє лише історичний інтерес.

1. Електричне поле - матеріальний носій взаємодії електричних зарядів. При вивченні попереднього матеріалу ви за допомогою експериментів впевнилися в тому, що у процесі електризації ненаелектризовані тіла під впливом наелектризованих тіл набувають електричних властивостей. Але одна справа, коли між тілами відбувається дотик - при цьому заряди переходять з одного тіла на інше і розподіляються між ними. А як відбувається електризація через вплив - адже при цьому немає безпосереднього контакту між тілами? За допомогою чого і як в цьому випадку наелектризоване тіло діє на ненаелектризоване? Можна було б передбачити, що це відбувається за рахунок певних особливостей повітря, але за відсутності заряджених тіл ніяких електричних взаємодій в повітрі не фіксується. Як же відбувається взаємодія зарядів? Це питання дуже цікавило учених.

Протягом XIX століття в фізиці панувала так звана теорія далекодії. Але ця теорія була надто штучною, оскільки не пояснювала, чому одних випадках взаємодія між зарядженими тілами є більшою, а в інших - меншою. Пошуком правильної теорії взаємодії заряджених тіл учені різних країн займались протягом багатьох десятиліть.

І от нарешті наприкінці XIX століття найвидатніший із експериментаторів

того часу, засновник сучасних уявлень про електромагнетизм англійський фізик Майкл Фарадей запропонував неочікувану гіпотезу. Фарадей вважав, що простір, який оточує заряджені тіла, відрізняється від звичайного простору, в якому знаходяться незаряджені тіла. Тому він вів у фізику абсолютно нове поняття - поняття про електричне поле. Згідно ідеї Фарадея в просторі навколо зарядженого тіла виникає електричне поле. Саме через електричне одне заряджене тіло діє на інше. Після введення Фарадеєм поняття електричного поля в фізиці почала розвиватись теорія близькодії. Отже, за сучасними поглядами матеріальним носієм взаємодії зарядів є електричне поле. В ученні про електрику електричне поле відіграє основну роль.

2. Що представляє собою електричне поле? Головна особливість електричного поля - матеріальність. Це означає, що електричне поле - це форма існування матерії. Пригадаємо, що матерія існує незалежно від нашої свідомості, а, отже, це стосується і електричного поля. До цього вам був знайомий лише один вид матерії - речовина. Тепер ви знаєте, що матерія - це не лише речовина, а ще й поле.

Від речовини будь-яке поле, в тому числі й електричне, відрізняється, насамперед, тим, що його не можна безпосередньо сприймати за допомогою органів чуття. Саме з цим пов’язані деякі ускладнення при введенні поняття електричного поля, адже важко повірити в реальність того, чого безпосередньо не відчуваєш!

Впевнитись в існуванні електричного поля можна за його діями.

Майкл Фарадей (1791 - 1867) англійський фізик

Згідно теорії близькодії взаємодія між зарядами із скінченою швидкістю передається через електричне поле, яке оточує ці заряди. Електричне поле виникає у просторі навколо зарядженого тіла.

3. Силова характеристика електричного поля. Для експериментального дослідження властивостей поля, в нього треба вносити деякий заряд і спостерігати за дією поля на цей заряд. Але яким цей заряд повинен бути? Очевидно, що заряд, за допомогою якого досліджується поле має бути набагато меншим від того заряду, який створює досліджуване поле. В протилежному випадку він буде це поле спотворювати. Такий заряд називається пробним. Умовно приймається, що пробний заряд є позитивним. Як же діє електричне поле на пробний заряд? За допомогою експерименту можна переконатись в тому, що при вміщенні пробного заряду в різні точки електричного поля, створеного певним зарядженим тілом, на цей заряд буде діяти неоднакова сила. Відповідно, електричне поле в різних точках є неоднаковим і за величиною сили, що діє на пробний заряд, можна судити про величину електричного поля зарядженого тіла в кожній точці. Для цього вводиться фізична величина, яка називається напруженістю електричного поля і є силовою характеристикою поля. Напруженість позначається літерою Е латинського алфавіту.

Напруженість електричного поля - це фізична величина, яка дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на заряд, до величини цього заряду:

=

де - напруженість електричного поля;

Крім електричного, ієну є багато інших полів - гравітаційне, магнітне, електромагнітне, з проявами яких ви ознайомитесь у подальшому.

Дослідження властивостей фізичних полів сьогодні є одним з найважливіших завдань фізики.

Ви знаєте, що для спостереження за матеріальним об'єктом ми використовуємо зір, слух, сприймання на дотик тощо; саме вони надають нам інформацію щодо спостережуваного об'єкту або явища і підтверджують їх наявність.

- сила, яка діє на заряд в електричному полі; q - величина заряду.

Одиницею вимірювання напруженості в системі СІ є ньютон на кулон:

[E] =

Напряженість електричного поля, як і сила, є величиною векторною . Напрям напруженості електричного поля співпадає з напрямом сили, що діє в цьому полі на позитивний заряд.

Ми з вами розглядатимемо електричні поля, які створюються нерухомими зарядами і не змінюються з часом. Такі поля називаються електростатичними.

Розділ фізики, в якому вивчаються властивості і взаємодія нерухомих електричних зарядів та властивості електростатичних полів, називається електростатикою.

4. Чи можна наочно уявити електричне поле? Так, можна. Для цього використовується певна модель - електричне поле зображається за допомогою так званих силових ліній електричного поля або лінії напруженості.

Найпростішу модель силових ліній електричного поля можна продемонструвати за допомогою султанів. Султан представляє собою металевий стержень на ізолюючій основі, до верхньої частини якого прикріплені білі або кольорові смужки тонкого паперу.

Зарядимо султан добре наелектризованою паличкою. Побачимо, що паперові смужки розташуються радіально. Так виглядає картина ліній напруженості електричного поля, створеного одним зарядом (рис. 98).

Основною ознакою наявності електричного поля є те, що на будь-яке заряджене тіло або заряд, внесені в це поле, діє сила.

Сила яка діє на заряджені тіла або заряди в електричному полі, називається електричною силою.

Моделлю пробного заряду може слугувати, наприклад, легка бузинова кулька на шовковій нитці. Отже пробний заряд - це малий позитивний заряд, який не спотворює досліджуваного поля і не впливає на результати вимірювань.

На рис. 99, а показано схематичне зображення ліній напруженості електричного поля, створеного позитивним зарядом, а на (рис. 99, б) - негативним. Лінії напруженості позитивного заряду спрямовані від заряду і простягаються у нескінченність, а лінії напруженості негативного заряду спрямовані з нескінченності до заряду.

Тепер візьмемо два султани і зарядимо їх почергово різнойменними (рис. 100, а) а потім однойменними (позитивними) зарядами (рис. 100, б).

Схематичне зображення силових ліній електричних полів двох різнойменних зарядів показано на (рис. 101), однойменних — (рис. 102).

Отже, лінії напруженості - це математичні лінії, які є неперервними і ніколи не перетинаються. Дотична, проведена в будь-якій точці до лінії напруженості, співпадає з напрямом вектора напруженості електричного поля в даній точці (рис. 103).

За щільністю ліній напруженості електричного поля можна характеризувати величину поля: там, де силові лінії розташовані щільніше, електричне поле більш сильне, тобто діє на заряджене тіло з більшою силою. Відповідно, з віддаленням від заряду сила, яка дії з боку електричного поля на заряджені тіла, зменшується.

5. В дослідах, які ви спостерігали, в результаті дії електричного поля на тіла з певною силою, ці тіла переміщувались.

Рис. 98. Картина ліній напруженості електричного поля, створеного одним зарядом

Рис. 99, а. Схематичне зображення ліній напруженості електричного поля, створеного позитивним зарядом

Рис. 99, б. Схематичне зображення ліній напруженості електричного поля, створеного негативним зарядом

Відповідно, при цьому електричне поле виконувало роботу. Але для виконання роботи необхідно мати енергію. Отже, в електричному полі завжди запасена енергія, яка називається енергією електричного поля (електростатичного поля).

Рис. 100, а. Два султани, заряджені почергово різнойменними зарядами.

Рис. 100, б. Два султани, заряджені почергово однойменними (позитивними) зарядами.

Рис. 101. Схематичне зображення силових ліній електричних полів двох різнойменних зарядів

Рис. 102. Схематичне зображення силових лівий електричних полів двох однойменних зарядів

Рис. 103. Дотична, проведена в будь-якій точці до лінії напруженості, співпадає з напрямом вектора напруженості електричного поля в даній точці

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Однорідне електричне поле. Електричне поле можна характеризувати не лише за щільністю ліній напруженості, але й за характером їх взаємного розташування. Якщо лінії напруженості електричного поля паралельні одні до одних, то це означає, що напруженість поля у всіх його точках є однаковою. У протилежному випадку електричні поля називаються неоднорідними і напруженість таких полів змінюється від одної точки до іншої.

Із історії фізики: вчені і факти

Майкл Фарадей - видатний англійський фізик, творець учення про електромагнітне поле. Він народився у м. Лондоні в родині коваля. Після короткочасного навчання у початковій школі, Фарадея у віці 13 років віддали на навчання до палітурника. Свої знання він одержував самостійно шляхом читання книг та відвідування лекцій учених. Фарадей володів блискучим експериментаторським талантом, а тому його ім’я швидко стало відомим серед науковців. Відкриття Фарадея докорінно перетворили уявлення, які панували на той час у галузі електрики та магнетизму. Історія зберегла ім’я Фарадея як найталановитішого дослідника у галузі електрики і магнетизму.

Від теорії до практики

Електростатичне поле допомагає на виробництві. Властивості електростатичного поля успішно використовуються в процесах електростатичного фарбування, покриття паперу наждачним порошком, покриття поверхонь лаком, нанесення емалі на метали (автомобільні заводи, фабрики музичних інструментів, меблеві фабрики, заводи емалевого посуду).

Як за допомогою електричного поля очищується повітря? Для уловлювання димових газів, які у великих кількостях викидаються витяжними трубами заводів, фабрик, теплових електростанцій тощо використовуються електричні фільтри. Дія електрофільтрів заснована на здатності позитивних іонів притягуватись до негативно заряджених поверхонь. Електрофільтр представляє собою металеву трубу, по осі якої натягнутий металевий дріт. Між стінкою труби і дротом створюється електричне поле з дуже великою напруженістю. За такої напруженості в трубі з атомів газу утворюються позитивні іони. Ці іони осідають на частинках диму і притягуються до негативно заряджених стінок труби, утворюючи на них

шар шкідливих відходів. Відходи попадають в спеціальний збірник, з якого їх відправляють на переробку.

Подумайте і дайте відповідь

1. Як учені пояснювали взаємодію зарядів за допомогою теорії далекодії?

2. У чому полягала ідея Фарадея про електричне поле?

3. Поясніть суть теорії близькодії.

4. Як можна виявите електричне поле, адже ми його не відчуваємо?

5. Яку силу називають електричною?

6. Що представляє собою пробний заряд?

7. Нарисуйте лінії напруженості електричного поля, створеного:

а) позитивним зарядом; б) негативним зарядом; в) двома різнойменними зарядами; г) двома однойменними зарядами.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 25.

1. Чи відрізняється простір навколо заряджених тіл від простору навколо тіл незаряджених? Якщо відрізняються, то чим?

2. Якими зарядами створюється електричне поле - позитивними, негативними або будь-якими? Відповідь обґрунтуйте.

3. Для дослідження електричного поля, створеного деяким зарядом, обрали пробний заряд, величина якого порівняна з величиною цього заряду. Як це відіб’ється на результатах досліджень? Чому?

4. Чи може існувати електричне поле за відсутності заряду або зарядженого тіла?

5. Підтвердіть за допомогою відповідних прикладів той факт, що електричне поле має енергію.

6. В якому полі на електричний заряд діє менша сила: в тому, в якого силові лінії розташовані більш щільно чи менш щільно?





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити