Електричне поле План 1 Електричне поле заряджених

Електричне поле

План 1. Електричне поле заряджених нерухомих тіл 2. Провідники в електричному полі 3. Закон Кулона 4. Робота в електричному полі 5. Потенціал електричного поля

Електричне поле заряджених нерухомих тіл Серед численних явищ природи одне з провідних місць займає явище електризації. Розміщені поруч на не великій відстані, наелектризовані тіла притягуються або відштовхуються між собою. Такі взаємодії назвали електричними. Властивість, якої електричні тіла набувають під час електризації, називають електричним зарядом. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, різнойменно заряджені – притягуються. Одиницею вимірювання електричного заряду є кулон (Кл). Електричний заряд макроскопічного тіла можна змінювати, поділяючи його на менші частини. Межею поділу заряду макроскопічного тіла є заряд електрона. Заряд електрона вважається негативним. Під час розрахунків у формулах значення заряду тіла позначається латинською буквою Q.

Q=Ne, Де N – кількість електронів, е – значення заряду електрона. Тіла, які мають негативний заряд, мають надлишок вільних електронів, а ті, що мають нестачу електронів, є позитивно зарядженими. Електричне поле – це особливий вид матерії, завдяки якому відбувається електрична взаємодія. Воно існує навколо електрично заряджених тіл і викликає взаємодію між ними. Зміни в електричному полі поширюються зі швидкістю світла у вакуумі. Електричне поле є проявом загального електромагнітного поля.

Провідники в електричному полі Дія електричного поля поширюється на всі об'єкти – від макроскопічних тіл і до найдрібніших частинок, що входять до складу речовини: електронів, протонів, йонів. Власне взаємодія цих частинок з електричним полем визначає електричні властивості речовини в цілому. Візьмемо два металеві циліндри і кожен з'єднаємо зі стрижнем заземленого електрометра. Розмістимо циліндри між паралельними металевими пластинами так, щоб вони, дотикаючись лише один до одного, утворювали одне тіло. Щойно зарядимо пластини різнойменними зарядами, стрілки електрометрів відхиляться і засвідчать появу зарядів на циліндрах. Якщо розрядити пластини, то зникнуть заряди і на циліндрах. Отже, поява зарядів на циліндрах пов'язана з дією електричного поля. Явище появи зарядів на провідниках під дією електричного поля називають електричною індукцією.

Закон Кулона Експериментально підтверджено, що заряджені тіла взаємодіють між собою - притягуються або відштовхуються. Кількісно така взаємодія підпорядкована закону Кулона. Отже, якщо є електричне поле, то можна з упевненістю стверджувати наявність зарядженого тіла, якому належить це поле. Якщо поруч одне біля одного є два заряджені тіла з електричними зарядами Q 1 і Q 2, то одне з них перебуває в електричному полі іншого тіла і на нього діє сила F 1= Q 1 E 2, де Q 1 - заряд першого тіла; Е 2 - напруженість поля другого тіла. На друге тіло відповідно діятиме сила F 2= Q 2 E 1, де Q 2 – заряд другого тіла; E 1 - напруженість поля першого тіла. Відомий французький фізик Ш. О. Кулон у 1785 р. експериментально встановив один з фундаментальних законів електродинаміки:

Сила яка діє на нерухоме точкове тіло з електричним зарядом Q 1 у полі іншого нерухомого точкового тіла з електричним зарядом Q 1, пропорційна добутку значень їх зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними: F=k((Q 1 Q 2)/r 2 У формулі для розрахунку сили взаємодії записано значення зарядів обох тіл. Тому можна зробити висновок, що за модулем обидві сили рівні. Проте за напрямом – вони протилежні. Якщо заряди тіл однойменні, тіла відштовхуються(мал. 1). Якщо заряди тіл різнойменні, то тіла притягуються(мал. 2). Остаточно можна записати: F 1=-F 2 Мал. 1 Мал. 2

Робота в електричному полі Мал. 1. 2 Розглянемо точкове тіло, яке має позитивний електричний заряд Q і перебуває в однорідному електричному полі між двома паралельними пластинами. Пластини мають різноманітні заряди та розміри, набагато більші за відстань між ними. (мал. 1. 2) Нехай тіло починає рухатися з точки А в точку В під дією електричної сили Fe. Ця сила виконуватиме роботу: А=Fescosa. У точці В тіло буде на відстані l 2 від лівої пластини. Модуль переміщення s=AB. Побудуємо проекцію переміщення на напрям дії сили. На малюнку 2. 2 її зображено відрізком АС. Мал. 2. 2

Робота з переміщення зарядженого тіла в електричному полі не залежить від шляху, а залежить від положення і кінцевої точок руху. Подібний висновок можна зробити і для руху тіла довільною траєкторією. Якщо тіло описуватиме криві, що починаються в точці А і закінчуються в точці В (мал. 3. 2), то модуль переміщення s буде одним і тим самим. Робота з переміщення зарядженого тіла в електричному полі не залежить від форми траєкторії руху, а визначається положенням початкової і кінцевої точок руху. Мал. 3. 2

Потенціал електричного поля Електричні і гравітаційні взаємодії мають багато спільного. Зокрема, робота сили тяжіння і робота електричної сили виражаються схожими залежностями. Для сили тяжіння: А=mgh 1 - mgh 2. Для електричної сили: А=Q 0 El 1 -Q 0 El 2= Q 0 E(l 1 -l 2). Враховуючи, що при виконанні роботи відбувається зміна потенціальної енергії, можна зробити висновок, що заряджене тіло в електричному полі має потенціальну енергію. Wп= QEl Потенціальна енергія зарядженого тіла визначається як електричними характеристиками тіла, так і характеристиками вибраної точки електричного поля – напруженість і координата. Зміна одної з трьох характеристик спричиняє зміну потенціальної енергії тіла в цілому. Фізична величина, яка є енергетичною характеристикою електричною поля і дорівнює відношенню потенціальної енергії зарядженого тіла в електричному полі до його заряду, називається потенціалом.

Для вимірювання потенціалу користуються одиницею, яка називається вольтом(В) на честь італійського вченого Алессандро Вольти. Потенціал є скалярною величиною і не має напряму. Тому можна говорити, що навколо точкового зарядженого тіла є безліч точок, у яких потенціали будуть однакові. Усі вони утворюють поверхню, яка називається еквіпотенціальною. Еквіпотенціальна поверхня – це геометричне місце точок однакових потенціалів. Для поля точкового зарядженого тіла еквіпотенціальні поверхні є концентричними сферами. (мал. 1. 3). Мал. 1. 3