Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Електричне поле – це простір, в якому електрична сила діє на заряджені тіла. Напруженість електричного поля дозволяє нам передбачити, наскільки великою буде ця сила. Але чи можете ви намалювати електричне поле? Чи хоча б уявити його?
Електричне поле важко уявити. На пробний заряд, поміщений задану точку простору, діє певна сила. В іншій точці простору на той же електричний заряд діє інша сила: з іншою величиною і спрямована по-іншому. У кожній точці електричного поля – а таких точок нескінченно багато – діє якась сила.
І все ж таки ми говоримо, що поле існує, навіть якщо немає електричного заряду, на який діють сили. Нескінченна кількість сил, яких ще немає, але які з'являться, коли з'явиться електричний заряд - це не те, що легко осягнути уявою (рис. 1). Не дуже допомагає введення поняття напруженості поля, яке свідчить, яка сила діє не так на будь-який електричний заряд, але в одиничний позитивний заряд.
Мал. 1. Нескінченна кількість електричних сил. Виглядає не дуже Проте існує елегантний спосіб графічного представлення електричного поля. Звісно, він досконалий і показує всі аспекти електричного поля. Але він простий і привабливий для уяви, і навіть універсальний. З його допомогою можна візуалізувати не лише електричне поле, а й магнітне поле, гравітаційне поле та будь-яке інше векторне поле. Йдеться лініях поля (рис. 2.).
Мал. 2. Ми можемо легко уявити лінії електричного поляЩо таке лінії електричного поля? Це лінії, які показують, в якому напрямку діє електрична сила в даній точці поля на поміщений туди електричний заряд, і, крім того, дають уявлення про величину цієї сили.
Ось особливості, які характерні для ліній електричного поля:
- Лінії електричного поля проведено так, що вектор сили, що діє на електричний заряд, поміщений у поле, завжди спрямований по дотичній до них.
- Лінії електричного поля спрямовані (рис. 3.), тобто мають виражений характер. Цей напрямок відповідає напрямку сили, що діє на позитивний електричний заряд, поміщений у полі. Заряд (реальний або уявний), який ми використовуємо для визначення напрямку ліній електричного поля, називається пробним зарядом. Зауважте, що передбачається, що це позитивний заряд.Сила, що діє на негативний заряд, матиме напрямок, протилежний лініям електричного поля.
- Лінії електричного поля малюються тим щільніше, що вища напруженість поля у цій области.
- Позитивний заряд рухатиметься вздовж ліній поля, якщо ми помістимо його в задану точку і не надамо йому жодної швидкості.
Мал. 3. Чорні лінії – це лінії електричного поля. Стрілки оранжевого кольору є векторами напруженості електричного поля (сила, що діє на одиничний позитивний заряд) в різних точках. Зверніть увагу, що в кожній точці сила спрямована до ліній поля.
Лінії електричного поля можна уявити у трьох вимірах, наприклад, що виходять у всіх напрямках з електрично зарядженої сфери (рис. 4.).
Мал. 4. Лінії електричного поля у трьох вимірах
Однак найчастіше ми бачимо лінії електричного поля на площині: аркуші паперу, екрані монітора. Завжди важливо пам'ятати, що електричне поле простягається через весь тривимірний простір, а перетин або проекція у двох вимірах - це спрощення, яке ми використовуємо, щоб легше уявити графічно.
Ще одне спрощення полягає в тому, що лінії поля не покривають весь простір або площину малюнка. Однак сила присутня скрізь, у тому числі й у проміжках між намальованими лініями! Лінії поля намальовані досить щільно, щоб дати уявлення про спрямування сил поля у кожній точці; проте, якби вони були намальовані занадто щільно, це б затемнило малюнок.Ще один важливий факт про лінії електричного поля, що випливає із законів електрики і магнетизму, полягає в тому, що поки електричні заряди, що створюють електричне поле, нерухомі (тоді ми говоримо про електростатичне поле), лінії електричного поля ніколи не утворюють замкнутих контурів; вони ніде не закінчуються і не починаються – лінії електричного поля завжди починаються з позитивного електричного заряду та закінчуються негативним електричним зарядом (рис.5).
Мал. 5. Лінії електростатичного поля завжди «виходять» із позитивного заряду та «входять» у негативний заряд. Вони ніколи не закінчуються і не починаються у порожньому просторі.
Давайте подивимося, як виглядають лінії поля на практиці, на прикладі поля навколо позитивного точкового заряду.
Приклад
Проілюструйте електричне поле навколо позитивного точкового заряду за допомогою ліній електричного поля.
Рішення:
Почнемо з позначення точкового заряду, що є джерелом поля. Закон Кулона говорить, що сила електростатичної взаємодії між двома точковими електричними зарядами завжди спрямована вздовж прямої лінії, що з'єднує електричні заряди. Тому, щоб лінії електричного поля були дотичні до вектора сили в кожній точці, вони повинні бути прямими лініями, що походять від джерела електричного заряду (мал.6.).
Мал. 6. Прямі лінії, що виходять із джерела електричного заряду
Оскільки ми маємо справу з позитивним зарядом, сила, що діє на позитивний пробний електричний заряд, поміщений у досліджуване електричне поле, буде силою, що відштовхує. Тому лінії поля спрямовані назовні (рис. 7.):
Мал. 7. Силові лінії електричного поля спрямовані назовні
Зверніть увагу, що намальовані лінії електричного поля сконцентровані ближче до точкового заряду (квадрат «a»), який є їх джерелом. Оскільки ми інтерпретуємо «щільність» ліній як значення напруженості поля, це дає нам інтуїтивне уявлення про те, що поле навколо точкового заряду слабшає (квадрат «b») у міру віддалення від цього електричного заряду (у разі ліній поля, проведених на площині, проте , «Щільність» ліній не є математично точною мірою напруженості поля).