5. Чувствуем ли мы электрическое поле?

Определения и обозначения

Электрическое поле — форма материи, существующая вокруг электрических зарядов и действующая на другие заряды. Оно связывает удалённые заряды и передаёт их взаимодействие. Поле обозначают буквой E, если речь идёт о его напряжённости.

Источник электрического поля — электрический заряд или заряженное тело, создающее поле в окружающем пространстве. Источником может быть отдельный заряд, шар или другое заряженное тело. Понятие помогает понять, откуда начинается действие поля.

Пробный электрический заряд — небольшой положительный заряд, используемый для обнаружения и исследования поля. Его величину выбирают малой, чтобы он почти не изменял поле источника. По действию на такой заряд судят о наличии поля.

Напряжённость электрического поля — физическая величина, равная отношению силы, действующей на пробный заряд, к этому заряду: E = F/q. Она показывает, насколько сильным является поле в данной точке. Единица напряжённости — ньютон на кулон, Н/Кл.

Как это устроено

Два электрических заряда могут взаимодействовать, даже если между ними нет соприкосновения. Чтобы объяснить действие на расстоянии, считают, что каждый заряд создаёт вокруг себя электрическое поле. Поле существует в пространстве между зарядами и связывает источник с другим зарядом.

Заряд создаёт поле, потому что его электрическое свойство проявляется не только в самом теле, но и в окружающем пространстве. Когда в это пространство попадает другой заряд, поле действует на него электрической силой. Так взаимодействие передаётся не мгновенным прямым контактом, а через поле.

Человек не видит электрическое поле глазами: оно не является светящимся объектом. Органы чувств также обычно не дают надёжного ощущения его наличия, потому что поле действует прежде всего на заряды. Поэтому поле обнаруживают косвенно — по результату его действия.

Если поместить заряженное тело в поле, электрическая сила может привести его в движение или отклонить от прежнего направления. Например, лёгкий заряженный шарик повернётся или начнёт перемещаться. Наблюдаемое отклонение служит признаком того, что в данной области есть поле.

Сила действия поля зависит от двух причин: от свойств самого поля в выбранной точке и от величины помещённого туда заряда. Чем больше заряд, тем больше сила при той же напряжённости. Поэтому используют формулу F = Eq, а напряжённость E считают характеристикой поля, не зависящей от пробного заряда.

Электрическое поле и его проявления

Сначала по таблице найдите источник и объект, на который действует поле. Затем определите способ обнаружения и подходящую величину: для поля используют напряжённость, а для действия на конкретный заряд — силу. Если известны любые две величины из формулы F = Eq, третью можно вычислить.

Разбор задач

Задача 1. Как установить, есть ли электрическое поле в некоторой области пространства, если в неё можно помещать небольшое заряженное тело? Нужно проверить не само пространство, а действие поля на заряд. Для этого используют пробное тело.

1. Поместить в исследуемую область небольшой положительный пробный заряд.
2. Наблюдать, действует ли на него сила: заряд может начать двигаться или отклониться.
3. Сделать вывод: при наличии отклонения или движения в области есть электрическое поле.

Ответ: поле обнаруживают по действию на пробный заряд, то есть по возникновению силы или движению заряженного тела.

Задача 2. На заряд 2 мкКл действует электрическая сила 0,006 Н. Определить напряжённость поля. Сначала переводим заряд в кулоны, потому что единица заряда в формуле должна быть согласована с единицей силы.

1. q = 2 мкКл = 2·10⁻⁶ Кл.
2. Используем формулу E = F/q.
3. E = 0,006 Н / (2·10⁻⁶ Кл) = 3000 Н/Кл.

Ответ: напряжённость поля равна 3·10³ Н/Кл.

Задача 3. В поле с напряжённостью 3·10⁴ Н/Кл находятся заряды 2 мкКл и 5 мкКл. Нужно найти силу для каждого заряда и сравнить результаты. При одинаковом поле большая сила действует на больший заряд.

1. Для первого заряда: q₁ = 2·10⁻⁶ Кл, поэтому F₁ = Eq₁ = 3·10⁴·2·10⁻⁶ = 0,06 Н.
2. Для второго заряда: q₂ = 5·10⁻⁶ Кл, поэтому F₂ = Eq₂ = 3·10⁴·5·10⁻⁶ = 0,15 Н.
3. Сравнить силы: F₂/F₁ = 0,15/0,06 = 2,5.

Ответ: на заряд 2 мкКл действует сила 0,06 Н, на заряд 5 мкКл — 0,15 Н; вторая сила в 2,5 раза больше.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электрическое поле существует только там, где находится второй заряд. Её допускают, потому что поле обнаруживают с помощью пробного заряда. Проверьте себя: источник создаёт поле независимо от того, помещён ли в него другой заряд.

Ошибка: утверждать, что человек обязательно ощущает любое электрическое поле. Поле часто невидимо и не вызывает обычных ощущений, поэтому такой вывод ненадёжен. Проверяйте его по действию на заряженное тело или показаниям прибора.

Ошибка: путать электрическую силу с напряжённостью. Сила относится к конкретному заряду и меняется вместе с ним, а напряжённость характеризует поле в точке. Проверьте формулу: F = Eq, значит, сила зависит от q, а E = F/q описывает поле.

Ошибка: забывать переводить микрокулоны и нанокулоны в кулоны. Из-за этого ответ отличается в миллион или миллиард раз. Перед вычислением запишите: 1 мкКл = 10⁻⁶ Кл, 1 нКл = 10⁻⁹ Кл.

Связь с другими темами

До изучения поля нужно знать, что электрические заряды бывают положительными и отрицательными и могут взаимодействовать. Это объясняет, почему заряженные тела способны притягиваться или отталкиваться.

При решении задач понадобятся понятия силы и единицы её измерения — ньютон, а также единица заряда — кулон. Связь между ними выражается через напряжённость: E = F/q.

Понятие электрического поля используется дальше при изучении напряжения, электрического тока, конденсаторов и работы электрического поля. Оно помогает объяснить, почему заряд может перемещаться в электрической цепи.

Что запомнить

• Электрическое поле создаётся электрическими зарядами.
• Поле действует на другие электрические заряды.
• Само поле непосредственно не ощущается органами чувств.
• О наличии поля судят по его действию на пробный заряд.
• Напряжённость характеризует электрическое поле в данной точке.
• Напряжённость равна отношению силы к заряду: E = F/q.
• Сила действия поля определяется формулой F = Eq.