§9. Электрическое поле

Определения и обозначения

Электрическое поле — особая форма материи, существующая вокруг электрических зарядов и передающая их взаимодействие. Оно позволяет объяснить, как заряды действуют друг на друга через пространство. Поле нельзя потрогать, но его обнаруживают по действию на помещённый в него заряд.

Источник электрического поля — электрический заряд, создающий поле вокруг себя. Источником может быть заряженное тело или отдельный точечный заряд. Это понятие нужно, чтобы отличать заряд, создающий поле, от заряда, с помощью которого поле исследуют.

Пробный заряд — небольшой положительный заряд, который используют для обнаружения электрического поля и определения его направления. Его считают достаточно малым, чтобы он почти не изменял исследуемое поле. Знак «положительный» выбран специально: по направлению силы на такой заряд удобно задавать направление поля.

Силовая линия электрического поля — линия, касательная к которой в каждой точке показывает направление силы, действующей на положительный пробный заряд. Это условное изображение, а не настоящая нить в пространстве. По линиям можно быстро понять направление поля и сравнить его силу на разных участках.

Как это устроено

Электрически заряженные тела взаимодействуют не непосредственно: каждое из них создаёт вокруг себя электрическое поле. Изменение состояния источника связано с изменением поля в окружающем пространстве, а поле уже действует на другой заряд. Такое описание помогает понять взаимодействие на расстоянии без представления о мгновенном «контакте» тел.

Поле обнаруживают по его действию на пробный заряд, потому что на заряд в поле действует электрическая сила. Если пробный заряд отклоняется, ускоряется или притягивается к источнику, значит, в этой области есть поле. Чем заметнее действие при одинаковом пробном заряде, тем сильнее поле в данной точке.

Направление поля определяют по силе, действующей на положительный пробный заряд. Положительный источник отталкивает такой заряд, поэтому силовые линии идут от него. Отрицательный источник притягивает положительный пробный заряд, поэтому линии направлены к нему.

Силовые линии позволяют условно изображать поле на рисунке. В каждой точке направление линии совпадает с направлением поля, поэтому пересечение двух линий означало бы сразу два направления силы в одной точке. Линии рисуют гуще там, где поле сильнее, и реже там, где оно слабее.

Поле существует и тогда, когда в нём нет пробного заряда, потому что его создаёт источник. Пробный заряд не порождает исследуемое поле, а только испытывает его действие. Поэтому отсутствие помещённого заряда не означает исчезновения поля.

Сравнение электрических полей точечных зарядов

Пользуйтесь таблицей, если нужно быстро определить направление линий или силы для точечного заряда. Сначала установите знак источника, затем выберите соответствующую строку. Для отрицательного пробного заряда направление силы будет противоположным указанному в таблице.

Разбор задач

Задача 1. Положительный пробный заряд поместили рядом с положительно заряженным телом. В какую сторону направлена действующая на него сила? Нужно определить взаимодействие зарядов и связать его с направлением поля.

1. Оба заряда положительные, поэтому они являются одноимёнными.
2. Одноимённые заряды отталкиваются, значит, пробный заряд удаляется от положительно заряженного тела.
3. Так как пробный заряд положительный, сила направлена так же, как электрическое поле.

Ответ: сила направлена от положительно заряженного тела.

Задача 2. Нарисуйте силовые линии поля отрицательного точечного заряда и укажите их направление. Нужно помнить, что направление линии задают не по движению отрицательного заряда, а по действию поля на положительный пробный заряд.

1. Представим положительный пробный заряд около отрицательного источника.
2. Разноимённые заряды притягиваются, поэтому сила направлена к источнику.
3. Проведём вокруг заряда радиальные линии со стрелками внутрь, к отрицательному заряду.

Ответ: силовые линии расположены радиально и направлены к отрицательному заряду.

Задача 3. На первом участке силовые линии расположены гуще, чем на втором. Сравните напряжённость поля качественно. Здесь не требуется вычислять значение: достаточно использовать связь густоты линий и силы поля.

1. Сравним число линий на одинаковых по площади участках.
2. На первом участке линий больше, то есть они расположены плотнее.
3. Более густое расположение означает более сильное поле.

Ответ: на первом участке поле сильнее, чем на втором.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что один заряд действует на другой напрямую, без поля. Так происходит из-за привычки рассматривать только сами тела. Проверьте себя: назовите заряд-источник и укажите поле как посредника взаимодействия.

Ошибка 2. Направлять линии к положительному заряду или от отрицательного. Причина ошибки — смешение притяжения и принятого направления поля. Проверьте знак источника: для положительного пробного заряда линии идут от плюса к минусу.

Ошибка 3. Путать направление поля с силой на отрицательный заряд. Отрицательный заряд испытывает силу, направленную против поля, потому что знак заряда меняет направление действия силы. Проверьте, какой заряд указан в условии, прежде чем ставить стрелку.

Ошибка 4. Считать силовые линии материальными нитями или думать, что поле есть только при наличии пробного заряда. Линии являются условным рисунком, а поле создаётся источником. Проверьте рассуждение: уберите пробный заряд мысленно — источник всё равно сохраняет своё поле.

Связь с другими темами

Для понимания электрического поля нужно знать, что заряды бывают положительными и отрицательными. Разноимённые заряды притягиваются, а одноимённые отталкиваются, поэтому знак заряда помогает определить направление силы.

Понятие поля используется не только в электричестве. С похожей идеей ученики встретятся при изучении магнитного поля и других способов описания взаимодействий на расстоянии.

Силовые линии подготовят к изучению напряжённости электрического поля. Позже с помощью этой характеристики можно будет не только указывать направление, но и рассчитывать электрические силы.

Что запомнить

• Электрическое поле создаётся электрическими зарядами.
• Поле действует на помещённые в него заряды.
• Направление поля определяют по силе, действующей на положительный пробный заряд.
• Силовые линии направлены от положительного заряда и к отрицательному.
• Силовые линии не пересекаются.
• Чем гуще силовые линии, тем сильнее поле.