§ 42. Понятие об электрическом поле

Определения и обозначения

Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг электрических зарядов и передающая их взаимодействие. Иначе говоря, заряженные тела влияют друг на друга не только при соприкосновении: между ними действует поле. Это понятие помогает объяснить передачу взаимодействия через пространство.

Источник электрического поля — электрический заряд, создающий поле вокруг себя. Например, заряженное тело является источником поля, которое распространяется в окружающем пространстве. Это название помогает отличать заряд, создающий поле, от зарядов, на которые оно действует.

Пробный заряд — небольшой положительный заряд, используемый для обнаружения поля и определения направления его действия. Его мысленно помещают в интересующую точку и проверяют, возникает ли сила. Заряд должен быть небольшим, чтобы его влияние на изучаемое поле можно было не учитывать.

Как это устроено

Если бы заряженные тела могли действовать друг на друга только при непосредственном соприкосновении, было бы непонятно, почему они притягиваются или отталкиваются на расстоянии. Представление об электрическом поле объясняет это взаимодействие как последовательное действие: одно тело создаёт поле, а поле действует на другое тело. Поэтому между зарядами не требуется прямой контакт. Взаимодействие передаётся через поле.

Заряд создаёт поле вокруг себя, потому что именно электрический заряд служит его источником. Поле не ограничено местом, где расположен этот заряд: оно занимает часть окружающего пространства. Это можно понять по тому, что в разных точках вокруг заряда на помещённый туда заряд может действовать сила. Сам пробный заряд не создаёт изучаемое поле, а лишь помогает его обнаружить.

Чтобы проверить, есть ли поле в выбранной точке, туда помещают пробный заряд. Если на него действует электрическая сила, значит, поле в этой точке есть. Такой способ похож на проверку невидимого воздействия по его результату: саму причину мы не видим, но можем наблюдать, как она меняет движение или положение заряда. Пробный заряд выбирают небольшим, чтобы он не изменил заметно поле источника.

Поле действует на помещённый в него заряд электрической силой. Направление этой силы зависит от знака заряда: положительный и отрицательный заряды в одном и том же поле испытывают силы в противоположных направлениях. Поэтому направление самого поля условились определять по силе на положительный пробный заряд. Это правило позволяет однозначно описывать действие поля независимо от того, какой заряд оказался в нём.

Электрическое поле отличается от обычного тела: у него нет формы, которую можно рассмотреть глазами, и его нельзя считать веществом, заполняющим пространство. Однако поле реально, потому что оно действует на заряды и может вызывать их движение. Невидимость не означает отсутствия: существование поля подтверждается наблюдаемым действием. Так же по следствиям судят и о других объектах, которые нельзя увидеть напрямую.

Основные признаки электрического поля

Сначала по таблице найдите, что служит источником поля и где оно существует. Затем проверьте, чем можно обнаружить поле и на какой заряд нужно ориентироваться для определения его направления. Эти признаки удобно использовать при разборе задач.

Разбор задач

Взаимодействие без соприкосновения

Два заряженных тела притягиваются, хотя не соприкасаются. Нужно объяснить их взаимодействие с помощью понятия электрического поля. В условии важна именно дистанция между телами: прямого контакта нет, но действие наблюдается. Значит, нужно указать, как оно передаётся.

1. Первое заряженное тело создаёт электрическое поле вокруг себя.
2. Второе тело находится в этом поле, поэтому поле действует на его заряд.
3. Второе тело тоже создаёт собственное поле, действующее на заряд первого тела.

Ответ: тела взаимодействуют через электрические поля, а не при непосредственном соприкосновении. Поле каждого тела действует на заряд другого. В результате тела притягиваются.

Проверка поля пробным зарядом

В некоторой точке пространства помещают положительный пробный заряд, и на него действует сила. Нужно сделать вывод о пространстве вокруг заряженного тела. Сначала важно определить, что именно означает наблюдаемая сила. Она указывает на действие поля в выбранной точке, а не на то, что пробный заряд сам является источником изучаемого поля.

1. Пробный заряд помещён в выбранную точку пространства.
2. На него действует электрическая сила, следовательно, в этой точке есть электрическое поле.
3. Поле создано находящимся поблизости источником заряда и существует вокруг него.

Ответ: вокруг заряженного тела есть электрическое поле, в том числе в точке, где обнаружено действие на пробный заряд. Пробный заряд позволяет выявить поле. Его наличие устанавливают по действующей на заряд силе.

Замена положительного заряда отрицательным

Положительный пробный заряд заменяют отрицательным в той же точке поля. Нужно выяснить, изменится ли направление силы и что останется неизменным. Сила зависит от знака пробного заряда, поэтому её направление для этих зарядов будет разным. Направление поля при этом определяют не по отрицательному заряду, а по принятому правилу.

1. Для положительного пробного заряда сила направлена так же, как направление поля.
2. Для отрицательного заряда сила направлена противоположно, потому что знаки зарядов разные.
3. Само поле и его направление не изменяются от замены пробного заряда.

Ответ: направление силы изменится на противоположное. Направление поля останется прежним, поскольку его определяют по силе на положительный пробный заряд. Изменился пробный заряд, а не источник поля.

Типичные ошибки

Считать, что заряженные тела взаимодействуют непосредственно через пустоту, — значит пропустить механизм передачи действия. Такое объяснение кажется естественным, потому что тела не соприкасаются. Проверьте себя вопросом: что именно передаёт действие от одного заряда к другому? Ответом должно быть электрическое поле.

Представлять поле как вещество или видимое облако вокруг заряда неверно: поле не является обычным веществом и не обязательно видно глазами. Эту ошибку допускают, принимая выражение «вокруг заряда» буквально. Проверка простая: поле обнаруживают не рассматриванием облака, а по действию на пробный заряд.

Полагать, что поле существует только там, где поставлен пробный заряд, — значит путать поле с прибором для его обнаружения. Пробный заряд лишь показывает, есть ли поле в выбранной точке. Чтобы проверить себя, мысленно уберите пробный заряд: источник продолжит создавать поле вокруг себя.

Определять направление поля по силе на отрицательный заряд без учёта его знака нельзя. Сила на отрицательный заряд направлена противоположно принятому направлению поля, поэтому такой вывод может перевернуть ответ. Для проверки всегда представьте положительный пробный заряд и укажите направление силы на него.

Связь с другими темами

До изучения электрического поля нужно знать, что электрические заряды бывают разных знаков, а заряженные тела могут притягиваться или отталкиваться. Эти сведения помогают понять, почему на заряды в поле действуют силы в разных направлениях. В частности, знак пробного заряда важен, когда сравнивают направление поля и направление силы.

Понятие поля служит основой для следующих тем. Напряжённость позволит количественно описывать действие поля, а силовые линии — наглядно показывать его направление. Знание о поле также понадобится, чтобы рассчитывать электрические силы, действующие на заряды.

Что запомнить

• Электрические заряды создают электрическое поле.
• Электрическое поле существует вокруг зарядов.
• Поле передаёт взаимодействие между заряженными телами.
• Электрическое поле действует на помещённые в него заряды.
• Наличие поля обнаруживают по его действию на пробный заряд.
• Направление поля определяют по направлению силы, действующей на положительный пробный заряд.