Якщо потерти ручку об синтетичний светр, до неї почнуть притягуватися шматочки паперу, причому без прямого контакту. Вся справа в електричному полі, що дозволяє зарядженим тілам взаємодіяти на відстані. Цей матеріал про те, що таке напруженість електричного поля та які погляди на неї у сучасній фізиці.
Що таке електричне поле
Довгий час вчені не могли до ладу пояснити, як саме заряджені тіла взаємодіють один з одним, не стикаючись. Майкл Фарадей першим з’ясував, що між ними є якась проміжна ланка. Його висновки підтвердив Джеймс Максвелл, який встановив, що для впливу одного такого об’єкта на інший потрібен час, а значить, вони взаємодіють через посередника.
У сучасній фізиці електричне поле — це якась матерія, яка виникає навколо заряджених тіл і обумовлює їхню взаємодію. Якщо йдеться про нерухомі об’єкти, поле називають електростатичним. |
Тіла, що мають однойменні заряди, відштовхуватимуться, а різноіменні — притягуватимуться.
Визначення напруженості електричного поля
Для дослідження електричного поля використовуються точкові заряди. Давайте з’ясуємо, що таке.
Точковим зарядом називають такий наелектризований об’єкт, розмірами якого можна знехтувати, оскільки він занадто малий у порівнянні з відстанню, що відокремлює цей об’єкт від інших заряджених тіл. |
Тепер поговоримо безпосередньо про напруженість, яка є однією з головних характеристик електричного поля. Це — векторна фізична величина. На відміну від скалярних вона має значення, а й напрям.
Для того, щоб досліджувати електричну напруженість, потрібно в полі зарядженого тіла q1 помістити ще один точковий заряд q2 (припустимо, вони обидва будуть позитивними ). З боку q1 на q2 діятиме якась сила. Вочевидь, що з розрахунків треба пам’ятати як значення цієї сили, і її направление.
| Напруженість електричного поля — це показник, що дорівнює відношенню сили, що діє на заряд в електричному полі, до величини цього заряду . |
Напруженість є силовою характеристикою поля. Вона говорить про те, наскільки сильний вплив поля в даній точці не тільки на інший заряд, але також на живі та неживі заряджені об’єкти.
Важливо! Іноді можна почути оборот “напруга електричного поля”, але це помилка – правильно говорити “напруженість”.
Одиниці вимірювання та формули
З вказаного вище визначення зрозуміло, як знайти напруженість електричного поля в якійсь точці:
E = F/q, де F — сила, що діє на заряд, а q — величина заряду, розташованого в даній точці.
Якщо потрібно виразити силу через напруженість, ми отримаємо таку формулу:
F=qE
Напрям напруженості електричного поля завжди збігається з напрямком чинної сили. Якщо взяти негативний точковий заряд, формули працюватимуть аналогічно.
Оскільки сила вимірюється в ньютонах, а величина заряду — в кулонах, одиницею вимірювання напруженості електричного поля є Н/Кл (ньютон на кулон).
Принцип суперпозиції
Припустимо, ми маємо кілька зарядів, які взаємодіють. Навколо кожного є своє електричне поле. Тоді існує якась точка або область, в якій одночасно існує електричне поле кількох зарядів. Чому дорівнює загальна напруженість електричного поля, яке створюється цими зарядами?
Було встановлено, що загальна сила на конкретний заряд, розташований у полі, є сумою сил, що діють на даний заряд з боку кожного тіла. З цього випливає, що і напруженість поля в будь-якій взятій точці можна обчислити, підсумувавши векторно напруженості, створювані кожним зарядом окремо в тій же точці. Це і є принцип суперпозиції.
Це правило є коректним для будь-яких полів, за деякими винятками. Принцип суперпозиції не дотримується у таких випадках:
- відстань між зарядами дуже мала — близько 10-15м;
- Йдеться про надсильні поля з напруженістю понад 1020в/м.
Але завдання із такими даними виходять межі шкільного курсу фізики.
Напруженість поля точкового заряду
У електричного поля, створюваного точковим зарядом, є одна особливість — через малу величину самого заряду воно дуже слабко впливає на інші наелектризовані тіла. Саме тому такі “точки” використовують для досліджень.
Але перш ніж розповісти, чого залежить напруженість електричного поля точкового заряду, розглянемо докладніше, як взаємодіють ці заряди.
Закон Кулона
Припустимо, у вакуумі є два точкові заряди, які статично розташовані на певній відстані один від одного. Залежно від однойменності або різноїменності, вони можуть притягуватися або відштовхуватися. У будь-якому випадку на них діють сили, спрямовані вздовж прямої, що з’єднує їх.
| Закон Кулона Модулі сил, що діють на точкові заряди у вакуумі, пропорційні добутку даних зарядів і обернено пропорційні квадрату відстані між ними. |
Силу електричного поля в конкретній точці можна знайти за формулою:
де q1 та q2 — модулі точкових зарядів, r — відстань між ними.
У формулі бере участь коефіцієнт пропорційності k, який був визначений досвідченим шляхом і є постійною величиною. Він позначає, з якою силою взаємодіють два тіла з зарядом 1 Кл, розташовані на відстані 1 м.
Важливо! Сила взаємодії двох точкових зарядів залишається незмінною при появі скільки завгодно великої кількості інших зарядів у даному полі.
З огляду на вищезазначене напруга електричного поля точкового заряду в певній точці, віддаленій від заряду на відстань r, можна обчислити за формулою:
Отже, ми з’ясували, що називається напруженістю електричного поля і від чого залежить ця величина. Тепер побачимо, як вона зображається графічним способом.
Лінії напруженості
Електричне поле не можна побачити неозброєним оком, але можна зобразити з допомогою ліній напруги. Графічно це будуть безперервні прямі, які пов’язують заряджені об’єкти. Умовна точка початку такої прямої – на позитивному заряді, а кінцева точка – на негативному.
| Лінії напруженості — це прямі, які співпадають із силовими лініями в системі із позитивного та негативного зарядів. Дотичні до них у кожній точці електричного поля мають той самий напрямок, що й напруженість цього поля. |
При графічному зображенні силових ліній можна передати не тільки напрям, але й величину напруженості електричного поля (розум умовно). У місцях, де модуль напруженості вище, прийнято робити густіший малюнок ліній. Існують і випадки, коли густота ліній не змінюється — це буває при зображенні однорідного поля.
Однорідне електричне поле створюється різними зарядами з однаковим модулем, розташованими на двох металевих пластинах. Лінії напруженості між цими зарядами являють собою паралельні прямі усюди, крім країв пластин і простору за ними.
