Опыт который показывает что электрическое взаимодействие. Электрическое поле

Подвесим на шелковой нити легкий грузик, например бумажную гильзу. Потрем о шелковую материю стеклянную палочку и поднесем ее к грузику. Мы увидим, что гильза сначала притянется к палочке, но затем, после соприкосновения со стеклом, от него оттолкнется (рис. 1). Прикоснемся теперь той же натертой палочкой к другой такой же гильзе, уберем стекло и приблизим гильзы друг к другу. Они оттолкнутся друг от друга (рис. 2).

Рис. 1. Бумажная гильза отталкивается от зарядившей ее стеклянной палочки

Рис. 2. Две подвешенные на шелковых нитях бумажные гильзы, заряженные от стеклянной палочки, отталкиваются друг от друга: – сила тяжести, действующая на гильзу, – электрическая сила, – сила, уравновешивающая силу натяжения нити

До соприкосновения с натертой стеклянной палочкой подвешенные грузики под действием силы тяжести и силы натяжения нити оказывались в равновесии в вертикальном положении. Теперь их положение равновесия иное. Следовательно, кроме уже упомянутых сил, на грузики действуют еще какие-то силы. Эти силы отличны от сил тяжести, от сил, возникающих при деформации тел, от сил трения и других сил, изучавшихся нами в механике. В только что описанных простых опытах мы встречаемся с проявлением сил, которые получили название электрических.

Тела, которые действуют на окружающие предметы электрическими силами, мы называем наэлектризованными или заряженными и говорим, что на этих телах находятся электрические заряды.

В описанных опытах мы заряжали стекло посредством трения о шелк. Мы могли бы, однако, вместо стекла выбрать сургуч, эбонит, плексиглас, янтарь и заменить шелковую материю кожей, резиной и другими предметами. Опыт показывает, что посредством трения можно зарядить любое тело.

На явлении электрического отталкивания заряженных тел основано устройство электроскопа – прибора для обнаруживания электрических зарядов. Он состоит из металлического стержня, к которому подвешен весьма тонкий алюминиевый или бумажный листок или два листка (рис. 3,а). Стержень укреплен при помощи эбонитовой или янтарной пробки внутри стеклянной банки, предохраняющей листки от движения воздуха. На рис. 3,б дано условное изображение электроскопа, которым мы и будем пользоваться в дальнейшем.

Рис. 3. Простой электроскоп: а) общий вид; б) условное изображение

Коснемся стержня электроскопа заряженным телом, например натертой стеклянной палочкой. Листки оттолкнутся от стержня и отклонятся на некоторый угол. Если теперь удалить палочку, то листки останутся отклоненными, а это значит, что при соприкосновении с заряженным телом на стержень и листки электроскопа переходит некоторый заряд.

Зарядим электроскоп при помощи стеклянной палочки, заметим отклонение листков, коснемся электроскопа еще раз другим местом заряженного стекла и опять уберем палочку. Отклонение листков увеличится. После третьего касания оно будет еще больше и, т. д. Мы видим, что электрические силы, обусловливающие отклонение листков, могут быть и больше и меньше, а следовательно, и заряд на электроскопе может быть больше или меньше. Таким образом, можно говорить о заряде, находящемся на том или ином теле, в нашем примере – на электроскопе, как о некоторой количественной мере, характеризующей определенные природные явления.

Наэлектризованные тела, как показывают опыты, взаимодействуют друг с другом - притягиваются и отталкиваются. Рассмотрим теперь, как передается действие одного наэлектризованного тела на другое. Может быть, оно передается через воздух? Выясним это на опыте. Поместим заряженный электроскоп под колокол воздушного насоса и из-под колокола выкачаем воздух (рис. 217). Опыт показывает, что и в безвоздушном пространстве листочки электроскопа по-прежнему отталкиваются друг от друга. Значит, электрическое взаимодействие передается не через воздух. Но из этого опыта еще нельзя установить: действуют ли электрические заряды друг на друга на расстоянии или между ними существует что-то материальное, не ощущаемое нами, через что передается это действие. Вопрос этот не простой, им занимались ученые многих стран и в течение многих лет. Ответ на него дали в своих работах английские физики Фарадей и Максвелл.

Согласно учению Фарадея и Максвелла пространство, окружающее наэлектризованное тело, отличается от пространства, находящегося вокруг не наэлектризованных тел. В пространстве, где находится электрический заряд, существует электрическое поле. Электрическое поле представляет собой вид материи, отличающийся от вещества. Мы с помощью наших органов чувств не можем непосредственно воспринимать электрическое поле. О существовании электрического поля можно судить лишь по его действиям. Электрическое поле заряда действует с некоторой силой на — всякий другой заряд, оказавшийся в поле данного заряда.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесенный в него электрический заряд, называется электрической силой.

В опытах, не только заряженная палочка своим электрическим полем действует на заряженную гильзу, но и гильза, в свою очередь, своим электрическим полем действует на палочку. Следовательно, как и всегда, имеет место взаимодействие тел.

Подвесим на нити заряженную гильзу. Поднесем к ней заряженную разноименным зарядом палочку, как показано на рисунке 218. Затем будем приближать подставку с гильзой к заряженной палочке. По углу отклонения нити заметим, что чем ближе гильза к палочке, тем с большей силой действует на нее электрическое поле заряженной палочки. Следовательно, вблизи заряженных тел действие поля сильнее, а при удалении от них поле ослабевает.

Вопросы. 1. Опишите опыт, который показывает, что электрическое взаимодействие передается не через воздух. 2. Чем отличается пространство, окружающее наэлектризованное тело, от пространства, окружающего не наэлектризованное тело? 3. Как можно обнаружить электрическое поле? 4. Как изменяется сила, действующая на заряженную гильзу при удалении ее от заряженного тела?

Опыты, позволяющие обнаружить притяжение или отталкивание заряженных тел, убеждают нас в том, что электрические заряды взаимодействуют на расстоянии . Причём чем ближе друг к другу находятся наэлектризованные тела, тем взаимодействие между ними сильнее, чем дальше - тем слабее.

При изучении механики мы видели, что действие одного тела на другое происходит непосредственно при их взаимодействии. Как же объяснить взаимодействие наэлектризованных тел? В наших опытах наэлектризованные тела находились друг от друга на некотором расстоянии. Может быть, действие одного наэлектризованного тела на другое передается через воздух, находящийся между телами? Однако заряженные тела взаимодействуют и в безвоздушном пространстве. Если поместить заряженный электроскоп под колокол воздушного насоса, то листочки электроскопа по-прежнему отталкиваются друг от друга (рис. 36). (Из-под колокола воздух откачан.) Изучением взаимодействия электрических зарядов занимались английские физики Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл.

Рис. 36. Заряженный электроскоп под колоколом воздушного насоса

В результате длительного изучения электрических явлений установлено, что всякое заряженное тело окружено электрическим полем.

Электрическое поле - это особый вид материи, отличающийся от вещества.

Наши органы чувств не воспринимают электрическое поле. Обнаружить поле можно благодаря тому, что оно действует на всякий находящийся в нём заряд. Именно этим и объясняется взаимодействие наэлектризованных тел. Электрическое поле, окружающее один из зарядов, действует с некоторой силой на другой заряд, помещённый в поле первого заряда. И наоборот, электрическое поле второго заряда действует на первый.

Сила, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называется электрической силой.

Когда мы подносили заряженную палочку к заряженной гильзе, то наблюдали отталкивание гильзы. Мы тем самым обнаруживали электрическое поле палочки по его действию на заряд, находящийся на гильзе. Но и гильза своим полем действовала на эбонитовую палочку. Таким образом, в случае наэлектризованных тел наблюдается взаимодействие .

Многочисленные опыты позволяют сделать вывод о том, что вблизи заряженного тела действие поля сильнее, а по мере удаления от него действие поля ослабевает .

Так, поднесём к гильзе палочку, имеющую заряд противоположного знака. По мере приближения палочки к гильзе угол отклонения гильзы будет увеличиваться (рис. 37). Следовательно, чем ближе расположены заряженные тела, тем сильнее действие поля.

Рис. 37. Зависимость действия электрического поля от расстояния до заряда

Поскольку на любой заряд, находящийся в электрическом поле, действует сила, значит, при перемещении заряда полем совершается работа. А если поле способно совершить работу, то оно обладает энергией.

Вопросы

1. Опишите опыт, который показывает, что электрическое взаимодействие передаётся не через воздух.
2. Чем отличается пространство, окружающее наэлектризованное тело, от пространства, окружающего ненаэлектризованное тело?
3. Как можно обнаружить электрическое поле?
4. Как изменяется сила, действующая на заряженную гильзу при удалении её от заряженного тела? Как это показать на опыте?

Упражнение

1. Куда будут двигаться отрицательно заряженные пушинки, попавшие в электрическое поле потёртой мехом эбонитовой палочки?
2. К заряженной гильзе поднесли палочку, имеющую заряд противоположного знака. Как будет меняться отклонение гильзы по мере приближения палочки? Почему?

Электрическое взаимодействие

Механика учит, что одностороннего притяжения – и вообще одностороннего действия – быть не может: всякое действие есть взаимодействие. Если наэлектризованная палочка притягивает разные предметы, то она и сама должна притягиваться к ним. Чтобы убедиться в этом, нужно только сообщить гребню или палочке подвижность, например, подвесив ее на нитяной петле (лучше, если нить шелковая). Тогда легко обнаружить, что всякий ненаэлектризованный предмет – хотя бы ваша рука – притягивает гребень, заставляет его поворачиваться и т. п. Это, повторяем, общий закон природы. Он проявляется всегда и всюду: всякое действие есть взаимодействие двух тел, действующих друг на друга в противоположном направлении.