Народна Освіта » Фізика » § 19. Електричне поле. Силова та енергетична характеристики електричного поля

НАРОДНА ОСВІТА

§ 19. Електричне поле. Силова та енергетична характеристики електричного поля

Заряджені тіла мають дивну властивість взаємодіяти на відстані. Численні досліди, проведені ще в XIX сторіччі, показали, що передача дії від одного зарядженого тіла до іншого відбувається при посередництві електричного поля, яке наші органи відчуття ніяк не сприймають, але яке має цілком конкретні властивості:

1. Електричне поле можна виявити по силі, з якою воно діє на внесений у дану точку нерухомий електричний заряд «q», який називають пробним. Силову характеристику поля в даній точці називають напруженістю і позначають літерою «Zs». Вона обчислюється як відношення сили Fpo величини пробного заряду а, на який вона діє:

Напруженість електричного поля вимірюється у Н/Кл і показує, яка сила діяла би на заряд +1 Кл, якщо б його помістили в дану точку поля.

2. Нерухомий заряд q в даній точці поля має потенціальну енергію Wp, оскільки на нього діє сила і він може виконувати роботу. Енергетичну характеристику поля в даній точці називають потенціалом і позначають літерою <р. Потенціал обчислюють за формулою:

Потенціал вимірюють у Дж/Кл і він показує, яку енергію в даній точці поля мав би заряд +ІКл, якби його туди помістили. Одиницю вимірювання потенціалу назвали «вольт» на честь італійського фізика Алессандро Вольта, який винайшов перше хімічне джерело струму. Отже, В = Дж/Кл.

Простір навколо заряджених тіл набуває особливих властивостей: у ньому на заряджені частинки діють електричні сили. Причому в різних точках простору величина і напрям дії електричних сил можуть бути різними. Електричне поле не сприймається нашими органами чуття і про його існування можна судити, лише спостерігаючи за його дією на заряджені частинки і знаючи напруженість E і потенціал φ в кожній точці поля.

Англійський фізик Майкл Фарадей запропонував зображати поле за допомогою силових ліній, які показують напрям дії сили на позитивний одиничний заряд у кожній точці. Там де лінії густіші - напруженість поля більша.

Стрілками вказують напрями дії електричних сил на позитивний пробний заряд, який міг би бути розміщеним у даній точці поля. На негативний заряд сила діє в напрямі, протилежному до вказаного на лінії.

Якщо намалювати розподіл сил в електричному полі, створеному точковим зарядом, то отримаємо картинку, зображену на малюнку 19.1а. З точки, де розміщений позитивний заряд, в усі боки рівномірно розходяться лінії-промені. До негативного заряду силові лінії сходяться (мал. 19.16). Густота ліній від більшого за величиною заряду-більша (мал. 19.1 в).

Пунктиром показані лінії однакового потенціалу (лінії однакового «рівня» енергії), вони перпендикулярні до силових ліній. Силові лінії електричного поля спрямовані в бік зменшення потенціалу.

 

 

ДОСЛІД Ί9.1

Якщо на підставці з ізолятора прилаштувати «султан» (стержень, на кінці якого закріплено багато легких довгих папірців) і приєднати провідником до одного з кондукторів (полюсів) елек-трофорноїмашини (мал. 19.2), jo папірці розійдуться в різні боки. Вони будуть випрямлятися вздовж силових ліній поля («султан наїжачиться»). Поведінка наелектризованого «султана» показує розподіл сил у полі невеликого за розміром зарядженого тіла.

«Султан» наелектризувався від електрофорної машини, яка працює так: при обертанні ручки диски машини труться об щіточки, які збирають заряди з дисків. Заряди протилежних знаків накопичуються в двох «лейденських банках», які мають вигляд високих склянок чи банок. Кожна з двох банок з'єднана зі своїм стержнем,

який закінчується кулькою. «Лейденські банки» можна зарядити до 50-70 тисяч вольт.

ПРИКЛАД 19.2

Якщо, наприклад, дві сусідні пунктирні лінії потенціалу (мал. 19.1а) відрізняються на ЗО В і знаходяться на відстані 0,1 м, то середня напруженість поля в цьому проміжку дорівнюватиме 300 В/м, тобто ЗО В треба розділити на 0,1 м. В Cl напруженість вимірюють саме у В/м.

* Зв'язок між напруженістю і потенціалом

Роботу можна обчислити як добуток сили на переміщення: А = FI1 якщо сила стала і співпадає за напрямом з переміщенням. З формули (19.1) слідує, що F = E q, отже, роботу з переміщення заряду q вздовж силової лінії на відстань / можна обчислити за формулою:

A = Eqd.    (19.3)

Роботу можна також обчислити як зміну потенціальної енергії тіла зі знаком «-»: А = -(VV7p2 - Wpj). З формули (19.2) слідує, що W = q-φ, отже, можна записати:

А = - q - φ,)·    (19.4)

Прирівнявши праві частини формул (19.3) та (19.4), отримаємо:

де φ, - (P1 = Δφ - різниця потенціалів двох точок поля, відстань між якими вздовж силової лінії становить /. В електриці для зручності вводять величину U = φ( - φ2 = -Δφ, де U- називають електричною напругою і вимірюють, як і потенціал, у вольтах. Використовуючи поняття напруги, можна записати формулу (19.5) по-іншому:

Таким чином, напруженість поля можна виразити через напругу і довжину силової лінії і вимірювати у В/м - саме ця одиниця напруженості поля прийня-

та в міжнародній системі одиниць вимірювання СІ. Використовуючи формулу (19.4) і поняття напруги, можна обчислювати роботу електричного поля з переміщення заряду «а» між точками з напругою «U» як:

 

 

Диполь

Розглянемо ще один вид мікроскопічних заряджених об'єктів - диполь. Диполь - це зв'язані між собою заряди, протилежні за знаком і однакові за значенням. Ці заряди знаходяться досить близько один від одного, а загальний заряд диполя дорівнює нулю. Так, наприклад, молекулу води (див. мал.

13.2) можна розглядати як диполь, який має два електричні полюси (ди - означає «два»). На малюнку 19.3 з допомогою силових ліній зображено поле диполя. Хоча заряд диполя дорівнює нулю, два диполі можуть притягуватися чи відштовхуватися або взаємодіяти з іншими зарядженими тілами.

Дія електричного поля на диполь

Зобразимо диполь видовженим овалом, на одному кінці якого знаходиться позитивний заряд, а на другому - негативний. Розглянемо диполь, який знаходиться в деякій точці поля (мал. 19.4). На позитивний заряд диполя зовнішнє електричне поле діє в напрямі силової лінії, тобто вправо, на негативний заряд сила діє проти напряму лінії, тобто вліво. Ці дві сили обертатимуть диполь доти, доки він не розвернеться своїм позитивним полюсом уздовж поля.

Взаємодія диполів

Розмістимо два диполі паралельно один одному, як на малюнку 19.5а. Позитивні та негативні заряди, розташовані поряд, відштовхуються, заряди протилежних знаків - притягуються. Проте ці сили слабші через більші відстані між зарядами. Тому паралельні диполі будуть відштовхуватися. На запитання, чому антипаралельні диполі притягуватися (мал. 19.56) спробуйте відповісти самостійно.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ Ί9.1

Наелектризуйте гребінець або корпус кулькової ручки і наблизьте його до зовнішнього кута відкритого зошита чи книжки. Спостерігайте, як аркуш піднімається. Дослідіть, як сила взаємодії залежить від відстані. Оцініть роботу, яку виконують електричні сили.

ТВОРЧЕ ЗАВДАННЯ

19.1. Опишіть будову та призначення окремих частин електрофорної машини. Як отримують і накопичують електричний заряд в цій машині? Яка історія відкриття електростатичних машин?

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Простір навколо заряджених тіл набуває особливих властивостей: у ньому на заряджені частинки (навіть через пустий простір) діють електричні сили. Силову характеристику поля в даній точці називають напружені-

Силові лінії електричного поля показують напрям дії сили на позитивний одиничний заряд. Там, де лінії густіші - напруженість поля більша. Силові лінії починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних.

Лінії однакового потенціалу перпендикулярні до силових ліній, а силові лінії електричного поля напрямлені в бік зменшення потенціалу.

ВПРАВА №19

1.    Чим відрізняється напруженість поля від електричної сили, що діє на пробний заряд?

2.    Яка різниця між потенціалом у деякій точці поля і потенціальною енергією пробного заряду в цій точці?

3.    Яка причина введення силової та енергетичної характеристик електричного поля і як вони називаються?

4.    Чому розходяться у різні сторони від центра папірці «султана»?

5.    Накресліть картину силових ліній поля, створеного від'ємним зарядом, величина якого вдвічі більша за вказаний на мал. 19.16.

6.    Напруженість поля в деякій точці поля становить 300 Н/Кл. З якою силою (в Н) і в якому напрямі діє в цій точці сила на заряд 2 мкКл?

7.    Потенціал в деякій точці поля становить 5000 В. Яку енергію (в мкДж) матиме в цій точці заряд 8 нКл?

8.    Чому диполь, розміщений упоперек силових ліній, починає повертатися? Як він врешті-решт встановиться?

9.    Чому електричні сили не можуть рухати диполь, який розвернувся, вздовж поля?

10.    Якщо диполі розмістити антипаралельно (мал. 19.5, б), то вони притягуються. Доведіть це.

11.    Сусідні лінії однакового потенціалу відрізняються на 100 В і проведені через кожні два сантиметри паралельно одна одній, а)Яка величина напруженості поля? б) Накресліть силові лінії суцільними лініями, а пунктиром -лінії однакового потенціалу.

12.    Заряд 2 нКл помістили в точку поля, потенціал в якої дорівнює 2 000 В. а)Яка енергія заряду (в мкДж)? Яку роботу може виконати цей заряд, перейшовши в точку, де потенціал поля б)* 500 В; в)* 0 В?

13.    Диполь розміщують паралельно силовій лінії (позитивним полюсом у напрямі лінії), антипаралельно і перпендикулярно. В якому з цих випадків енергія диполя: а)найбільша; б) найменша?

14.    Проведіть на мал. 19.3 лінію нульового потенціалу.

 

15.    Виберіть один із чотирьох напрямів дії сили на заряд q з боку зарядів qта q, (мал. 19.6) для випадків: а) усі заряди позитивні, б) qx та q, позитивні, q - негативний, в) q{ та q позитивні, q2 - негативний, г) q, та q негативні, q{ - позитивний, д)* Якою повинна бути величина вказаних зарядів, щоб напрями 1, 2, 3, 4, на малюнку були вказані точно? Трикутник, утворений пунктирними лініями - рівносторон-ній.

 

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка 

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 11-08-2016, 14:19, посмотрело: 7003