Электрическое поле. Напряженность электрического поля.

После длительной борьбы теория близкодействия одержала окончательную победу. Расскажем кратко, как это произошло, а также напомним, что такое электрическое поле.







Идеи Фарадея. Решительный поворот к представлению о близкодействии был сделан великим английским учёным Майклом Фарадеем, а окончательно завершён английским учёным Джеймсом Максвеллом.

По теории дальнодействия один заряд непосредственно чувствует присутствие другого. При перемещении одного из зарядов, например А (рис. 14.8), сила, действующая на другой заряд — В, мгновенно изменяет своё значение. Причём ни с самим зарядом В, ни с окружающим его пространством никаких изменений не происходит.

Согласно идее Фарадея электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создаёт в окружающем пространстве электрическое поле.

Поле одного заряда действует на другой заряд, и наоборот. По мере удаления от заряда поле ослабевает. Первоначально эта идея выражала лишь уверенность Фарадея в том, что действие одного тела на другое через пустоту невозможно.

Доказательств существования поля не было. Такие доказательства и нельзя’ получить, исследуя лишь взаимодействие неподвижных зарядов. Успех к теории близкодействия пришёл после изучения электромагнитных взаимодействий движущихся заряженных частиц. Вначале было доказано существование переменных во времени полей и только после этого был сделан вывод о реальности электрического поля неподвижных зарядов.

Скорость распространения электромагнитных взаимодействий. Основываясь на идеях Фарадея, Максвелл сумел теоретически доказать, что электромагнитные взаимодействия должны распространяться в пространстве с конечной скоростью.

Это означает, что если слегка передвинуть заряд А (см. рис. 14.8), то сила, действующая на заряд В, изменится, но не в то же мгновение, а лишь спустя некоторое время:

где АВ — расстояние между зарядами, а с — скорость распространения электромагнитных взаимодействий, которая равна скорости света в вакууме, т. е. примерно 300 000 км/с. При перемещении заряда А электрическое поле вокруг заряда В изменится спустя время t. Значит, между зарядами в вакууме происходит какой-то процесс, в результате которого взаимодействие между ними распространяется с конечной скоростью. Правда, эксперимент по проверке равенства (14.6) при перемещении зарядов трудно осуществить из-за большого значения скорости с. Но в этом сейчас, после изобретения радио, нет нужды, электромагнитное поле обнаруживает себя как нечто реально существующее.

Сейчас вы можете прочитать в газетах, что радиоволны от космической станции, приближающейся к Венере, доходят до Земли за время более чем 4 мин. Станция уже может сгореть в атмосфере планеты, а посланные ею радиоволны ещё долго будут блуждать в пространстве.

Что такое электрическое поле? Мы знаем, что электрическое поле существует реально: его свойства можно исследовать опытным путём. Но мы не можем сказать, из чего это поле состоит. Здесь мы доходим до границы того, что известно науке.

Дом состоит из кирпичей, плит и других материалов, которые, в свою очередь, состоят из молекул, молекулы — из атомов, атомы — из элементарных частиц. Более же простых образований, чем элементарные частицы, мы не знаем. Так же обстоит дело и с электрическим полем: ничего более простого, чем поле, мы не знаем.

Электрическое поле — это особое состояние материи, которое нельзя обнаружить нашими органами чувств. Его можно обнаружить, лишь помещая в него электрические заряды.

При изучении электрического поля мы сталкиваемся с особым видом материи, движение которой не подчиняется законам механики Ньютона. С открытием электрического поля впервые за всю историю науки появилась глубокая идея: существуют различные виды материи и каждому из них присущи свои свойства.

Главное свойство электрического поля — действие его на электрические заряды с некоторой силой.

По действию на заряд устанавливают факт существования поля, распределение его в пространстве, изучают все его характеристики.

Электрическое поле, созданное неподвижными зарядами, называют электростатическим.

Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создаётся только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано.

Если поле изменяется со временем, то такое поле называют переменным.

Многие свойства статических и переменных полей совпадают. Однако имеются между ними и существенные различия. Говоря о свойствах поля, мы будем называть это поле просто электрическим, если данное свойство в равной мере присуще как статическим, так и переменным полям.

Мы с вами уже встречались с полем силы тяжести и полем сил тяготения. На тело, находящееся в поле силы тяжести и обладающее массой, вблизи поверхности земли действует сила тяжести аналогично тому, как на заряд, находящийся в электростатическом поле, действует сила Кулона. На спутник, обращающийся на орбите вокруг Земли, действует сила тяготения, т. е. можно сказать, что он находится в поле тяготения.

Силовые линии

Напряжённость электрического поля. Электрическое поле обнаруживается по силам, действующим на заряд. Можно утверждать, что мы знаем о поле всё, что нам нужно, если будем знать силу, действующую на любой заряд в любой точке поля. Поэтому надо ввести такую характеристику поля, знание которой позволит определить эту силу.

Если поочерёдно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, то обнаружится, что сила, действующая на заряд со стороны поля, прямо пропорциональна этому заряду. Действительно, пусть поле создаётся точечным зарядом q1. Согласно закону Кулона (14.2) на точечный заряд q действует сила, пропорциональная заряду q. Поэтому отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля заряд, к этому заряду для каждой точки поля не зависит от заряда и может рассматриваться как характеристика поля.

Отношение силы, действующей на помещаемый в данную точку поля точечный заряд, к этому заряду, называется напряжённостью электрического поля.

Подобно силе, напряжённость поля — векторная величина; её обозначают буквой :

Отсюда сила, действующая на заряд q со стороны электрического поля, равна:

Направление вектора  совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующей на отрицательный заряд.

Единица напряжённости в СИ — Н/Кл.

Силовые линии электрического поля. Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим. Однако мы можем получить некоторое представление о распределении поля, если нарисуем векторы напряжённости поля в нескольких точках пространства (рис. 14.9, а). Картина будет более наглядной, если нарисовать непрерывные линии.

Линии, касательная в каждой точке которых совпадает с вектором напряжённости электрического поля, называют силовыми линиями или линиями напряжённости поля (рис. 14.9, б).

Направление силовых линий позволяет определить направление вектора напряжённости в различных точках поля, а густота (число линий на единицу площади) силовых линий показывает, где напряжённость поля больше. Так, на рисунках 14.10 — 14.13 густота силовых линий в точках А больше, чем в точках В. Очевидно, что

Не следует думать, что линии напряжённости существуют в действительности вроде растянутых упругих нитей или шнуров, как предполагал сам Фарадей. Линии напряжённости помогают лишь наглядно представить распределение поля в  пространстве. Они не более реальны, чем меридианы и параллели на земном шаре.

Силовые линии можно сделать видимыми. Если продолговатые кристаллики изолятора (например, хинина) хорошо перемешать в вязкой жидкости (например, в касторовом масле) и поместить туда заряженные тела, то вблизи этих тел кристаллики выстроятся в цепочки вдоль линий напряжённости.

На рисунках приведены примеры линий напряжённости: положительно заряженного шарика (см. рис. 14.10), двух разноимённо заряженных шариков (см. рис. 14.11), двух одноимённо заряженных шариков (см. рис. 14.12), двух пластин, заряды которых равны по модулю и противоположны по знаку (см. рис. 14.13). Последний пример особенно важен.

На рисунке 14.13 видно, что в пространстве между пластинами силовые линии в основном параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга: электрическое поле здесь одинаково во всех точках.

Электрическое поле, напряжённость которого одинакова во всех точках, называется однородным.

В ограниченной области пространства электрическое поле можно считать приближённо однородным, если напряжённость поля внутри этой области меняется незначительно.

Силовые линии электрического поля не замкнуты, они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Силовые линии непрерывны и не пересекаются, так как пересечение означало бы отсутствие определённого направления напряжённости электрического поля в данной точке.

Домашнее задание
I. Учить §§ 88 – 89
II. Ответить на вопросы:
1. В чём состоит отличие теории близкодействия от теории действия на расстоянии?
2. Каковы основные свойства электростатического поля?
3. Какую теорию подтверждает существование электрического поля?

4. Что называется напряжённостью электрического поля?
5. Что называют силовыми линиями электрического поля?
Могут ли силовые линии пересекаться?
III. Выполнить задания А1 – А3 на стр. 294
А1. Скорость распространения электромагнитных взаимодействий
1) всегда равна скорости света
2) определяется только при условии, что заряды неподвижны
3) равна скорости света в вакууме
4) зависит от знаков зарядов

А2. Электрическое поле можно обнаружить
1) если оно не изменяется во времени
2) если оно изменяется во времени
3) помещая в данную точку заряд
4) если заряд движется

А3. При перемещении одного из зарядов
1) уменьшается электрическое поле другого заряда
2) его электрическое поле постепенно ослабевает
3) изменяется сила взаимодействия зарядов
4) увеличивается электрическое поле другого заряда

IV. Выполнить задания А1 – А4 на стр. 297
А1. Направление вектора напряжённости электрического поля совпадает с направлением силы, действующей на
1) незаряженный металлический шар, помещённый в электрическое поле
2) отрицательный пробный заряд, помещённый в электрическое поле
3) положительный пробный заряд, помещённый в электрическое поле
4) ответа нет, так как напряжённость поля — скалярная величина

А2. Сила, действующая в поле на заряд 0,00002 Кл, равна 4 Н. Напряжённость поля в этой точке равна
1) 200 000 Н/Кл;   2) 0,00008 В/м;   3) 0,0008 Н/Кл;  4) 5 · 10 6 Кл/Н

АЗ. Силовая линия электрического поля — это
1) линия, вдоль которой в поле будет двигаться положительный заряд
2) линия, вдоль которой в поле будет двигаться отрицательный заряд
3) светящаяся линия в воздухе, которая видна при большой напряжённости поля
4) линия, в каждой точке которой напряжённость поля направлена по касательной

А4. На каком рисунке правильно изображена картина линий напряжённости электростатического поля точечного положительного заряда?
1) 1;   2) 2;   3) 3;    4) 4