§ 20. Электрическое поле

Вспомните, как при расчесывании сухие и чистые волосы «тянутся» за пластмассовой расческой. В данном случае происходит электризация: и волосы, и расческа приобретают электрический заряд. А вот почему волосы даже на расстоянии повторяют движения расчески (словно кобра — движения дудочки индийского факира), вы узнаете из этого параграфа.

наблюдаем взаимодействие заряженных тел

Из § 19 вы узнали, что заряженная палочка притягивает незаряженные кусочки бумаги. Если вы проводили такой эксперимент, то наверняка обратили внимание на то, что кусочки бумаги «чувствовали» приближение палочки заранее, еще до того, как она их касалась. То есть заряженная палочка действует на другие объекты на расстоянии! Выясним, почему так происходит.

Нам понадобятся натертый графитом маленький воздушный шарик¹⁰, подвешенный на шелковой нити, эбонитовая палочка, кусочек шерстяной ткани, лист бумаги и пластина из оргстекла.

Наэлектризуем эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть. Затем прикоснемся палочкой к подвешенному на нити шарику, — шарик приобретет отрицательный заряд. Потрем пластину из оргстекла бумагой — пластина приобретет положительный заряд. Станем медленно приближать пластину

к шарику. По мере ее приближения нить, на которой подвешен шарик, начнет отклоняться от вертикали. Если же остановить сближение, то шарик так и останется неестественно отклоненным (рис. 20.1, а). Более того, подняв пластину над шариком, мы можем заставить шарик замереть в еще более неестественном для него положении (рис. 20.1, б). Что же происходит? Почему шарик так себя ведет? Ответ очевиден: на шарик — кроме силы тяжести и силы натяжения нити — со стороны наэлектризованной пластины действует третья сила (на рисунке — F_gs).

Даём определение электрического поля

Из описанного выше эксперимента можно сделать вывод о том, что наэлектризованная пластина служит причиной определенных изменений в окружающем ее пространстве. А именно: пространство изменяется таким образом, что начинает действовать на заряженный шарик с некоторой силой. Физики сказали бы, что в пространстве существует электрическое поле.

Электрическое поле — это вид материи, которая существует вокруг заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие частицы или тела, имеющие электрический заряд.

Таким образом, электрическое взаимодействие заряженных частиц или тел осуществляется через электрическое поле.

Сила, с которой электрическое поле действует на заряженные частицы или тела, называют электрической силой F_gs.

Очевидно, что не только заряженная пластина своим электрическим полем действует на заряженный шарик, — шарик своим полем тоже действует на пластину. Объясните, почему пластина при этом не отклоняется.

Характеризуем электрическое поле

Органы чувств человека не воспринимают электрическое поле заряженного тела — мы не можем это поле увидеть, услышать, потрогать. А как же узнать, какие свойства оно имеет? Думаем, что вы уже догадались: изучать электрическое поле можно по его действию на заряженные частицы или тела.

Именно это действие подтверждает тот факт, что электрическое поле материально, ведь, во-первых, оно действует на материальные объекты (заряженный шарик, кусочек бумаги, струю воды) и, во-вторых, действует независимо от сознания человека.

Проведем опыт, воспользовавшись металлической сферой на пластмассовой подставке. Тщательно наэлектризуем стеклянную палочку, потерев ее о бумагу, и коснемся палочкой сферы. Сфера приобретет положительный заряд (рис. 20.2). Пространство около сферы изменится — вокруг нее будет существовать электрическое поле. Будем изучать это поле с помощью легкого положительно заряженного шарика (рис. 20.3).

Опыт продемонстрирует, что, во-первых, электрическое поле существует в любой точке пространства, окружающего заряд (заряженную сферу), во-вторых, с удалением от заряда поле становится слабее. Можно также утверждать, что электрическое поле имеет энергию, ведь в результате его действия шарик приходит в движение, отклоняясь на некоторый угол.

Мы обнаружили только некоторые свойства электрического поля. Детальнее о нем вы узнаете в старших классах, а пока обратим внимание на то, что электрическое поле может существовать где угодно, даже в вакууме.

Изображаем электрическое поле графически

Когда вы хотите как можно лучше рассказать о месте, в котором побывали, или о новом друге, что вы, скорее всего, сделаете? Наверное, многие ответят: «Покажу фотографии».

Электрическое поле, к сожалению, сфотографировать невозможно. Английский физик Майкл Фарадей предложил изображать электрические поля графически — с помощью силовых линий.

Силовые линии электрического поля —

это условные линии, вдоль касательных к которым на заряженное тело действует сила со стороны электрического поля.

По направлению силовых линий можно определить направление, в котором электрическое поле действует на электрический заряд. Плотность силовых линий на рисунке показывает, насколько сильным является электрическое поле: чем сильнее поле, тем плотнее расположены линии.

Рассмотрим рис. 20.4, на котором графически изображено электрическое поле, созданное двумя разноименными зарядами. Определим, куда направлена сила F_gj, действующая на положительный заряд, помещенный в точку А поля. Для этого через точку А проведем касательную к силовой линии. Сила F_gj будет действовать вдоль касательной в направлении силовой линии. Понятно, что если в точку А поместить отрицательный заряд, то сила будет направлена противоположно силе F_gj .

Определите, куда будет направлена сила, действующая на отрицательный заряд, помещенный в точку В (см. рис. 20.4). В какой точке — А или В — электрическое поле сильнее?

В общем случае силовые линии электрического поля являются кривыми линиями, но могут быть и прямыми. Например, силовые линии электрического поля равномерно заряженного шарика, удаленного от других заряженных тел, — прямые линии (рис. 20.5, а, б). Прямыми являются

и силовые линии электрического поля между двумя параллельными пластинами, имеющими одинаковые по значению и противоположные по знаку заряды (рис. 20.5, в).

Обратите внимание: силовые линии электрического поля начинаются на положительном заряде и заканчиваются на отрицательном (см., например, рис. 20.4, 20.5).

Узнаём о влиянии электрического поля на организм человека

Экспериментально доказано, что поверхность Земли заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы — положительно, следовательно, в атмосфере Земли существует электрическое поле. С развитием цивилизации это естественное поле дополнилось электрическими полями различных электротехнических устройств, используемых человеком.

Сегодня известно, что клетки и ткани организма человека тоже создают около себя электрические поля. Регистрацию и измерение этих полей широко применяют для диагностирования разных заболеваний (электроэнцефалография, электрокардиография, электроретинография и др.).

Мы живем в настоящей паутине, сотканной из огромного количества электрических полей. Долгое время считалось, что они не влияют на людей, но сейчас уже известно, что действие внешнего электрического поля на клетки и ткани организма человека, особенно продолжительное, приводит к негативным последствиям.

Например, при работе компьютера на экране монитора накапливается электрический заряд; клавиатура и компьютерная мышь тоже электризуются в результате трения. Под влиянием электрических полей, созданных этими заряженными телами, у пользователя изменяются гормональное состояние и биотоки мозга, что вызывает ухудшение памяти, повышенную утомляемость и др.

Почему для здоровья человеку лучше носить одежду, изготовленную из натуральных тканей, например из хлопка, а не синтетическую?

Что же делать? Ведь совсем отказаться от работы за компьютером, просмотра телевизора, использования бытовой техники, которая тоже является источником электрических полей, достаточно трудно. Нелегко полностью отказаться и от синтетических тканей. Решить проблему можно, ослабив электрическое поле, например, путем повышения влажности воздуха или применения антистатиков. Более эффективный, но и более дорогой способ — искусственная ионизация воздуха, насыщение его легкими отрицательными ионами. С этой целью применяют аэроионизаторы — генераторы отрицательных ионов воздуха.

Подводим итоги

Электрическое поле — это вид материи, которая существует вокруг заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие частицы или тела, имеющие электрический заряд.

Существует удобный способ наглядного описания электрических полей, а именно графическое изображение с помощью силовых линий электрического поля — условных линий, вдоль касательных к которым на заряженное тело действует сила со стороны электрического поля. По направлению силовых линий можно определить направление, в котором электрическое поле действует на электрический заряд.

От влияния внешних электрических полей зависят общее самочувствие человека, функциональное состояние основных систем организма.

Контрольные вопросы    —

1. Как экспериментально доказать, что тела, имеющие электрический заряд, взаимодействуют на расстоянии? 2. Что такое электрическое поле? 3. Как определить, существует ли в некоторой точке пространства электрическое поле? 4. Назовите основные свойства электрического поля. 5. Дайте определение силовых линий электрического поля. Как они направлены? 6. Какой вид имеет картина силовых линий электрического поля положительно заряженной сферы? отрицательно заряженной сферы? 7. Как влияют на организм человека внешние электрические поля?

Упражнение № 20

1.    На рис. 1 изображены силовые линии электрического поля между двумя парами заряженных пластин. Поле между какими пластинами интенсивнее? Определите знак заряда каждой пластины.

2.    На рис. 2 изображены силовые линии электрических полей, созданных двумя разными по модулю зарядами. Для каждого случая определите: 1) направление силовых линий; 2) какой заряд больше по модулю; 3) направление силы, действующей на положительный заряд, расположенный в точке А; 4) направление силы, действующей на отрицательный заряд, расположенный в точке В.

4.    Определите силу натяжения нити (см. рис. 20.1, б), если электрическое поле действует на шарик с силой 56 мН, объем шарика — 4 см³, его средняя плотность — 0,6 г/см³.

5.    Один из первых аэроионизаторов, который используют и сегодня, — люстра Чижевского. Прибор генерирует отрицательные ионы — «электрические витамины», как называл их изобретатель прибора Александр Леонидович Чижевский. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, узнайте об этом изобретении и его авторе.

6.    Может ли частица иметь электрический заряд, который равен 8-Ю¹⁹ Кл? -2,4-IO^-19 Кл? 2,4-IO^-18 Кл? Поясните свой ответ.

Экспериментальные задания

1.    Предложите и испытайте несколько индикаторов электрического поля.

2.    «Летающая вата». Возьмите маленький кусочек ваты диаметром не более 5 мм, распушите его и положите на наэлектризованную пластмассовую линейку. Резко встряхнув линейку, добейтесь, чтобы кусочек начал «плавать» над ней в воздухе. Объясните наблюдаемое явление. Выполните рисунок, на котором укажите силы, действующие на вату.