§28. Електричне поле

Зміст

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Як експериментально довести, що тіла, які мають електричний заряд, взаємодіють навіть на відстані?

Взаємодію видно, коли наближати заряджене тіло до легких предметів (папірців, підвішеної гільзи) — вони починають рухатися ще до контакту. Також це доводить відхилення зарядженої кульки в полі іншого заряду.

2. Що таке електричне поле?

Це особлива форма матерії навколо заряджених частинок або тіл, яка діє з певною силою на інші електричні заряди.

3. Як визначити, чи існує в певній точці простору електричне поле?

Потрібно помістити в цю точку пробний заряд. Якщо на нього діє електрична сила — поле існує.

4. Назвіть основні властивості електричного поля.

Воно матеріальне, має енергію, діє на заряди з певною силою, існує в будь-якій точці навколо заряду та слабшає з відстанню.

5. Що називають силовою характеристикою електричного поля?

Напруженість електричного поля.

6. Дайте означення силових ліній електричного поля.

Це умовні лінії, дотичні до яких у кожній точці вказують напрямок вектора напруженості поля.

ВПРАВА № 28

1. Наведіть приклади об’єктів, навколо яких існує електричне поле.

Поле є навколо будь-якого зарядженого тіла: натертої ебонітової палички, зарядженої пластини, металевої сфери чи повітряної кульки.

2. На рис. 1 зображено силові лінії електричного поля зарядженої кульки. Який знак заряду кульки?

Заряд негативний, оскільки силові лінії спрямовані до нього.

3. Наведіть приклади, які підтверджують вислів: «Електричне поле не можна побачити, але можна довести його існування».

Існування доводиться дією поля: притягання папірців, відхилення стрілки електрометра, рух тонера в лазерному принтері.

4. Чому дорівнює напруженість електричного поля в даній точці, якщо на заряд 40 нКл воно діє із силою 100 мН?

Дано:

• $q = 40 \text{ нКл} = 40 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}$
• $F = 100 \text{ мН} = 0,1 \text{ Н}$

Знайти:

• E − ?

Розв’язання:

Для обчислення напруженості електричного поля скористаємося формулою:

$E = \dfrac{F}{q}$

Підставимо значення:

$E = \dfrac{0,1 \text{ Н}}{40 \cdot 10^{-9} \text{ Кл}} = \dfrac{10^{-1}}{4 \cdot 10^{-8}} \text{ Н/Кл} = 0,25 \cdot 10^{7} \text{ Н/Кл} = 2,5 \cdot 10^{6} \text{ Н/Кл}$

Відповідь: Напруженість електричного поля становить 2, 5 МН/Кл (або 2, 5 ⋅ 106 Н/Кл).

5. На рис. 2 зображено силові лінії електричних полів, створених двома зарядами. Визначте: 1) напрямок силових ліній; 2) напрямок напруженості електричного поля в точці A; в точці B; 3) у якій точці (A чи B) електричне поле є сильнішим.

1. Лінії йдуть від «+» до «−».
2. У точці A напруженість спрямована праворуч (дотична до лінії), у точці B — до негативного заряду.
3. Поле сильніше в точці A, бо лінії там розташовані густіше.

6. Між двома різнойменно зарядженими пластинами зависла негативно заряджена крапелька олії масою 3,2 мг (рис. 3). Визначте напрямок і значення сили, яка діє на крапельку з боку електричного поля пластин, а також знак заряду кожної пластини.

Дано:

• $m = 3,2 \text{ мг} = 3,2 \cdot 10^{-6} \text{ кг}$
• $q < 0$ (негативний)
• $g = 10 \text{ м/с}^2$

Знайти:

• $F_{\text{ел}} = ?$
• Напрямок $F_{\text{ел}}$
• Знак пластин

Розв’язання:

На крапельку діє сила тяжіння $F_{\text{тяж}}$, напрямлена вертикально вниз. Оскільки крапелька “зависла” (перебуває у стані спокою), сили, що діють на неї, скомпенсовані. Це означає, що електрична сила $F_{\text{ел}}$ повинна бути рівна за модулем силі тяжіння і протилежна їй за напрямком.

Отже, сила з боку електричного поля напрямлена вертикально вгору.

Оскільки крапелька має негативний заряд ($q < 0$), то для того, щоб електрична сила штовхала її вгору:

• Нижня пластина має відштовхувати негативний заряд (однойменні заряди відштовхуються), тому нижня пластина — негативна $(-)$.
• Верхня пластина має притягувати негативний заряд (різнойменні заряди притягуються), тому верхня пластина — позитивна $(+)$.

Обчислення значення сили:

З умови рівноваги:

$F_{\text{ел}} = F_{\text{тяж}}$

Розпишемо силу тяжіння:

$F_{\text{тяж}} = m \cdot g$

Підставимо числові значення:

$F_{\text{ел}} = 3,2 \cdot 10^{-6} \cdot 10 = 32 \cdot 10^{-6} \text{ Н} = 32 \text{ мкН}$

Відповідь: Сила $F_{\text{ел}} = 32 \text{ мкН}$, напрямлена вгору. Верхня пластина позитивна $(+)$, нижня — негативна $(-)$.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

Поясніть спостережуване явище (в експерименті «Летюча вата»).
При контакті з лінійкою вата отримує однойменний заряд. Оскільки однойменні заряди відштовхуються, виникає сила, що компенсує вагу вати і дозволяє їй «літати».

Виконайте рисунок, на якому зазначте сили, що діють на вату.
На рисунку від шматочка вати проводять два вектори однакової довжини: сила тяжіння (вниз) та електрична сила (вгору).