Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 2 ЕЛЕКТРИЧНІ ЯВИЩА. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ

§ 29 Електричне поле

Ви дізнаєтесь

- Що таке електричне поле

- Як якісно пояснити електромагнітну взаємодію

Пригадайте

- Як взаємодіють однойменно й різнойменно заряджені тіла

Взаємодія через поле. Розглянемо ще раз процес притягання клаптиків паперу до наелектризованої палички, описаний у § 27. Якщо ви намагались повторити цей дослід самостійно, то бачили, що клаптики паперу притягуються до палички ще до того, як вона торкається їх, — взаємодія відбувається на відстані. А як відомо з курсу 7 класу, взаємодія може відбуватись під час контакту або через поле.

У нашому випадку — через електричне поле.

Між науковцями довгий час тривала дискусія щодо механізму передачі взаємодії між тілами, що перебувають на відстані одне від одного (й особливо в разі відсутності середовища між ними, тобто у вакуумі). І саме дослідження електромагнітних явищ стало поштовхом у цьому напрямі. У 1865 р. англійський учений Джеймс Клерк Максвелл на підставі аналізу знань з електрики та магнетизму пояснив особливості й закономірності електромагнітної взаємодії. Він уперше ввів у фізику поняття поле й довів існування електромагнітного поля, а також зумів об’єднати вчення про електрику, магнетизм й оптику в одну теорію.

Електричне поле. Будь-яке електрично заряджене тіло створює навколо себе електричне поле, через яке відбувається електромагнітна взаємодія.

Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо електрично заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд.

Особливістю електричного поля (як і гравітаційного) для людини є те, що ми не можемо безпосередньо сприймати його за допомогою органів чуття. Ви знаєте, що для спостереження за матеріальним об’єктом ми використовуємо зір, слух, нюх і дотик. Саме вони надають нам інформацію про об’єкт або явище, що спостерігається, і підтверджують їх наявність. Проте електричне поле не діє безпосередньо на наші органи чуття. Саме з цим пов’язані деякі ускладнення розуміння цього поняття на початку його вивчення, адже важко повірити в реальність того, чого безпосередньо не відчуваєш!

Упевнитися в існуванні електричного поля можна на підставі його дій. Основним фактом, який підтверджує наявність електричного поля, є його дія на будь-яке заряджене тіло, що міститься в цьому полі.

Проведемо такий дослід. Підвісимо на нитці до штатива кульку з оргскла. Наелектризуємо скляну паличку. Для цього потремо її об шовкову тканину. Доторкнемося паличкою до кульки. Вона набуде позитивного електричного заряду (мал. 94, а). Рівноважний стан кульки визначатиметься дією двох сил: силою натягу нитки N та силою тяжіння Fт (мал. 94, б).

Потремо пластину з ебоніту вовняною тканиною, наелектризувавши її негативно. Будемо наближати негативно заряджену пластину до позитивно зарядженої кульки. Побачимо, що кулька також почне відхилятись від положення рівноваги в бік пластини. Якщо зафіксувати положення пластини, то кулька так і залишиться у відхиленому стані (мал. 94, в). Чому кулька не повертається в попереднє положення? Очевидно, що крім

Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879)

Англійський учений основоположник теорії електромагнітної взаємодії діючих сил (натягу нитки N і тяжіння FT) в електричному полі пластини й кульки виникає ще одна сила — сила електромагнітної взаємодії Fел (мал. 94, г).

МЛА. 94. Дослід із демонстрації дії електричного поля

Які висновки робимо з досліду?

Електричне поле зарядженого тіла діє з певною силою на будь-яке інше заряджене тіло, що перебуває в цьому полі.

Дослід ще показує, що чим ближче розміщена кулька до пластини, тим з більшою силою діє на неї електричне поле зарядженої пластини. Тобто можна зробити висновок, що електричне поле, створюване зарядженим тілом, діє на заряджені тіла, що перебувають поблизу від нього, сильніше, ніж на тіла, що містяться на більшій відстані.

Силова характеристика електричного поля. Щоб зрозуміти, як можна вимірювати дію поля, проведемо певну аналогію між полем тяжіння Землі (мал. 95, а) та електричним полем, що створюється, наприклад, негативно зарядженою металевою кулею, заряд якої -q (мал. 95, б).

Обидва поля виявляють себе своєю дією. Поле тяжіння Землі змушує падати тіло масою m, електричне поле кулі із зарядом -q1 притягує до себе заряджену частинку (протон, позитивний йон) або заряджене тіло, електричний заряд якого +q. І в обох випадках поля здійснюють роботу, переміщаючи й розганяючи тіла. В обох випадках значення роботи залежить від відстані між тілами, що взаємодіють. У разі гравітаційної взаємодії дія поля залежить від маси тіл, у разі електричної — від значення та знака електричних зарядів. На відміну від Землі, що має фіксовану масу й фіксоване поле тяжіння, електричні поля можуть бути створені різними зарядженими тілами й різнитися за впливом на один і той самий електричний заряд: одні діють з більшою силою, інші — з меншою.

Мал. 95. Дія поля: а — гравітаційного; б — електричного

Якщо в певну точку електричного поля вміщувати різні електричні заряди й щоразу вимірювати силу, яка діє на них, то можна встановити, що сила, що діє на електричний заряд, уміщений в електричне поле, прямо пропорційна величині цього заряду. Тому слушно припустити, що відношення сили, з якою поле діє на заряд, до величини цього заряду вказуватиме на те, з якою силою поле діє на одиницю заряду, вміщеного в електричне поле. Така величина вже не залежатиме від величини електричного заряду й буде силовою характеристикою електричного поля.

Силова характеристика електричного поля називається напруженістю електричного поля й позначається літерою Е.

Зверніть увагу! Досліджуючи електричне поле, ми розглядали випадок дії поля саме на позитивно заряджене тіло. Річ у тім, що позитивно заряджена частинка також створює електричне поле навколо себе. Але щоб досліджувати електричні поля, умовились використовувати таку модель — пробний електричний заряд — позитивно заряджене тіло, поле якого не змінює поле, в яке воно унесене.

До речі, зробимо ще деякі уточнення. Ми вживали терміни «електричний заряд», «елементарний електричний заряд», «заряджене тіло», «точкове заряджене тіло». Інколи для спрощення вживали тільки термін «заряд». Чи є принципова відмінність у цих термінах?

Дійсно, терміном «заряд» інколи називають як електрично заряджене тіло, так і фізичну величину — значення електричного заряду на ньому.

Надалі ми будемо вживати й термін точковий електричний заряд. Пригадайте: вивчаючи механічні явища, ми використовували термін матеріальна точка, розуміючи будь-яке тіло, розміри якого малі порівняно з відстанню. Аналогічно точковими електричними зарядами називають заряджені тіла, розміри яких малі порівняно з відстанню між ними.

З урахуванням цих термінів можемо дати таке визначення напруженості.

Напруженість електричного поля — це фізична величина, яка є силовою характеристикою поля й визначається відношенням сили F, що діє в даній точці поля на пробний заряд q, до величини цього заряду:

Одиниця напруженості — ньютон на кулон, 1 Н/Кл.

Як видно з формули, напруженість — векторна величина. Оскільки напруженість електричного поля визначає силу, що діє на одиницю позитивного заряду, то і напрям напруженості електричного поля збігається в кожній точці простору з напрямом сили, яка діє на позитивний точковий заряд.

Увівши поняття «напруженість», ми можемо говорити не про силу з якою один заряд діє на інший, а про силу, з якою на заряд діє поле в тій точці, де він розміщений. За допомогою сучасних приладів можна проводити вимірювання напруженості поля. І, відповідно, можна розрахувати дію поля в даній точці на будь-яке заряджене тіло за формулою

Мал 96. Графічне зображення електричного поля: а — позитивного заряду; б — негативного заряду; в — двох різнойменних зарядів; г — двох однойменних зарядів

Графічне зображення електричного поля.

У ході досліджень електричного поля вченим вдалося з’ясувати його властивості. Що своєю чергою дозволило змоделювати поле, тобто представити його графічно. Лінії, за допомогою яких графічно зображають електричне поле, називають силовими лініями, або лініями напруженості електричного поля.

Так, якщо зобразити заряджені тіла як маленькі кульки, то лінії позитивно зарядженого тіла спрямовані в усі боки від нього (мал. 96, а), а силові лінії негативно зарядженого тіла спрямовані до нього (мал. 96, б). У разі взаємодії двох електрично заряджених тіл їхні поля накладаються. На малюнку 96, в, г зображені електричні поля однойменно та різнойменно заряджених кульок.

«Спостерігати» електричне поле можна на досліді, використовуючи електричні султани (мал. 97 ). Легкі паперові смужки, закріплені на пластмасових підставках, розміщуються вздовж силових ліній електричного поля.

Розглядаючи дослід із виявлення електричного поля, ми використовували негативно заряджену пластину. Якщо взяти дві різнойменно заряджені пластини, то електричне поле буде зосереджене у просторі між ними (мал. 98). За пластинами поля компенсуються.

Силові лінії такого поля є паралельними (за винятком країв пластин). Таке поле називають однорідним — у кожній точці поля напрям і величина сили, з якою воно діє на заряд, є однаковими.

Мал. 97 Дослід з електричними султанами: а — притягання паперових смужок різнойменно заряджених султанів; б — відштовхування паперових смужок однойменно заряджених султанів

Мал. 9 8. Графічне зображення електричного поля двох заряджених пластин

Підбиваємо підсумки

- Електричне поле — це особлива форма матерії, що існує навколо електрично заряджених тіл або частинок і діє з деякою силою на інші частинки або тіла, що мають електричний заряд.

- Порівнювати електричні поля можна за їхньою силовою характеристикою (напруженістю).

- Напруженість електричного поля — це фізична величина, яка є силовою характеристикою поля й визначається відношенням сили , яка діє в даній точці поля на пробний заряд q, до величини цього заряду:

- Лінії, за допомогою яких графічно зображають електричне поле, називають силовими лініями, або лініями напруженості електричного поля.

Я знаю, вмію й розумію

1. Що таке електричне поле?

2. Яким чином можна довести реальність існування електричного поля?

3. Чому лінії напруженості електричного поля не перетинаються?

4. Чим відрізняється взаємодія тіл в електричному полі від взаємодії тіл у гравітаційному полі?

ПОЯСНІТЬ

1. Як змінюється дія електричного поля в разі віддалення від електричного заряду, який його створює?

2. В електричному полі негативно зарядженої пластинки «зависла» заряджена пилинка (мал. 99). Що станеться з пилинкою, якщо вона втратить кілька електронів?

Мал. 9 9. До завдання 2

Експериментальні й дослідницькі завдання

1. Запропонуйте кілька індикаторів електричного поля. Випробуйте їх.

2. Якими дослідами можна довести існування електричного поля?

3. Одним зі способів очищення повітря від пилу є застосування електрофільтрів, у яких повітря проходить крізь заряджені стержні. Поясніть, на чому засновано принцип дії таких електрофільтрів.

4. Підготуйте міні-проект про використання властивостей електричного поля в техніці. Запропонуйте своє бачення використання властивостей електричного поля.

5. Чому слабкий струмінь води з водопровідного крана відхилятиметься, якщо до нього піднести наелектризоване тіло? Перевірте на досліді (мал. 100).

Мал. 100. До завдання 5

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Ha порошинці, що зависла в електричному полі, міститься 20 ∙ 1012 надлишкових електронів. Визначте масу порошинки, якщо напруженість електричного поля 150 Н/Кл.

Розв’язання:

Щоб виконувалась умова задачі (зависання порошинки в електричному полі), на порошинку мають діяти дві рівні за модулем і протилежні за напрямом сили.

Це сила тяжіння: Fтяж = mg і сила, з якою електричне поле діє на частинку: Feл = Eq . Заряд порошинки визначається як добуток заряду електрона е та кількості надлишкових електронів N: q = Ne.

Тоді FM = ENe. Сила тяжіння за умовою задачі врівноважується силою електричного поля, отже: mg = ENe.

Звідси:

Відповідь: 48 мг.

Вправа 12

1. З якою силою діє електричне поле Землі, напруженість якого 100 Н/Кл на тіло, що має заряд 1 мкКл?

2. На заряд 2 нКл у деякій точці електричного поля діє сила 10 мН. Визначте напруженість поля в цій точці.

3. Заряд 2 нКл міститься в електричному полі, напруженість якого 2 кН/Кл. 3 якою силою поле діє на заряд?

4. Порошинка масою 0,1 мг «зависла» в електричному полі напруженістю 1 кН/Кл. Визначте величину і знак електричного заряду порошинки.





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