§ 24. Электрическое поле

Определения и обозначения

Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг электрических зарядов и действующая на другие заряды. Проще говоря, это область, где заряд может испытывать электрическое воздействие. Такое понятие объясняет, как заряд влияет на окружающее пространство.

Источник электрического поля — электрический заряд или система зарядов, создающая поле в окружающем пространстве. Источником может быть как положительный, так и отрицательный заряд. Это определение помогает отличать заряд, создающий поле, от заряда, который только обнаруживает его действие.

Электрическая сила — сила, с которой электрическое поле действует на помещённый в него заряд. Из-за неё заряд может начать двигаться, ускориться или изменить направление движения. По этой силе обнаруживают само поле и определяют его направление.

Силовая линия электрического поля — воображаемая линия, касательная к которой показывает направление действия силы на положительный заряд. Это не реальный провод или траектория частицы, а удобный способ изображения поля. По направлению и густоте линий судят о свойствах поля в разных точках.

Как это устроено

Заряды взаимодействуют не потому, что непосредственно «дотягиваются» друг до друга через пустоту. Каждый заряд изменяет свойства окружающего пространства, создавая электрическое поле, а уже поле действует на другой заряд. Такая картина объясняет, почему воздействие передаётся через пространство, а не возникает мгновенно между самими телами.

Заряженное тело создаёт поле вокруг себя, потому что его заряд является источником электрического воздействия. Если рядом нет другого заряда, поле всё равно сохраняется: исчезает не поле, а только возможность заметить его действие на пробный объект. Второй заряд нужен для проверки, но не для существования самого поля.

Обнаружить поле можно, поместив в него небольшой пробный заряд и наблюдая, действует ли на него сила. Пробный заряд выбирают достаточно малым, чтобы он почти не изменял поле источника. Направление поля условно связывают с движением положительного заряда: его сила показывает, куда направлено поле в данной точке.

У положительного заряда силовые линии направлены наружу, потому что положительный пробный заряд отталкивается от источника. У отрицательного заряда они направлены внутрь: положительный пробный заряд притягивается к нему. Для разноимённых зарядов линии идут от плюса к минусу, а у одноимённых зарядов расходятся, поскольку заряды отталкиваются.

Силовые линии не могут пересекаться, так как в каждой точке на положительный пробный заряд действует сила только одного направления. Густота линий показывает сравнительную силу поля: где на одинаковой площади помещается больше линий, там поле сильнее. Поэтому рисунок силовых линий передаёт не только направление, но и изменение действия поля в пространстве.

Характеристики электрического поля

Таблицу удобно читать слева направо: сначала определить характеристику, затем установить, что происходит, и после этого посмотреть, как свойство изображают или находят. Например, если линии расположены гуще, сравнивают силу поля именно по их густоте, а не по длине линий.

При решении задач сначала выясняют знак источника и пробного заряда, затем определяют направление силы. После этого проверяют рисунок: линии не должны пересекаться, а их направление должно соответствовать притяжению или отталкиванию.

Разбор задач

Задача 1. Положительный пробный заряд поместили в электрическое поле положительного точечного заряда. Определите направление электрической силы. Нужно учитывать, что оба заряда имеют одинаковый знак.

1. Положительный источник и положительный пробный заряд являются одноимёнными зарядами.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, поэтому пробный заряд движется от источника.
3. Сила направлена от положительного точечного заряда по линии, соединяющей заряды.

Ответ: электрическая сила направлена от положительного источника, то есть пробный заряд отталкивается от него.

Задача 2. Изобразите силовые линии поля двух точечных зарядов: а) одноимённых, б) разноимённых. Сначала определяют направление линий около каждого заряда, затем учитывают совместное действие источников.

1. Для одноимённых зарядов линии выходят наружу из каждого положительного заряда или входят к каждому отрицательному; между зарядами они изгибаются и не соединяют источники.
2. Для разноимённых зарядов линии направляют от положительного заряда к отрицательному.
3. Линии располагают симметрично, не допускают их пересечения и делают более густыми там, где поле сильнее.

Ответ: у одноимённых зарядов линии расходятся, а у разноимённых идут от плюса к минусу; во всех случаях линии не пересекаются.

Задача 3. На рисунке показаны участки электрического поля, где силовые линии расположены с разной густотой. Укажите, в каком участке поле сильнее, и объясните почему. Сравнивать нужно равные по площади области, а не отдельные линии.

1. Выберите одинаковые по размеру участки в разных областях рисунка.
2. Посчитайте или оцените, где на такую площадь приходится больше силовых линий.
3. Сделайте вывод: большее число линий на одинаковой площади соответствует более сильному полю.

Ответ: сильнее поле в участке с большей густотой силовых линий.

Типичные ошибки

Поле считают существующим только при наличии второго заряда. Так думают, потому что поле обнаруживают по его действию. Проверьте себя: источник создаёт поле независимо от того, помещён ли рядом пробный заряд.

Направление поля путают с движением отрицательного заряда. Отрицательный заряд движется под действием силы в сторону, противоположную направлению поля. Для проверки всегда мысленно помещайте положительный пробный заряд.

Силовые линии рисуют пересекающимися. Ошибка возникает, когда пытаются показать сразу несколько направлений в одной точке. Проверьте каждую точку: у поля там может быть только одно направление.

Линии изображают одинаково густыми везде. Такой рисунок не показывает различие силы поля в разных областях. Сравните равные площади: где линий больше, там поле сильнее.

Связь с другими темами

До изучения поля нужно знать, что существуют положительные и отрицательные заряды, а одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются. Это позволяет понять направление электрической силы.

С механикой тему связывает понятие силы: электрическое поле может ускорять заряд или изменять направление его движения. Дальше эти знания понадобятся при изучении напряжения, электрического тока, поля внутри проводников и конденсаторов.

Что запомнить

• Электрическое поле создаётся электрическими зарядами.
• Поле существует вокруг заряда и действует на другие заряды.
• Действие электрического поля проявляется через электрическую силу.
• Направление поля определяют по направлению силы, действующей на положительный пробный заряд.
• Силовые линии выходят из положительного заряда и входят в отрицательный.
• Силовые линии не пересекаются.
• Чем гуще силовые линии, тем сильнее поле в данной области.