Досвід що показує що електрична взаємодія. Електричне поле

Підвісимо на шовковій нитці легкий грузик, наприклад, паперову гільзу. Потремо об шовкову матерію скляну паличку і піднесемо її до вантажу. Ми побачимо, що гільза спочатку притягнеться до палички, але потім після зіткнення зі склом від нього відштовхнеться (рис. 1). Доторкнемося тепер тією ж натертою паличкою до іншої такої ж гільзи, приберемо скло і наблизимо гільзи один до одного. Вони відштовхнуться одна від одної (рис. 2).

Мал. 1. Паперова гільза відштовхується від скляної палички, що зарядила її.

Мал. 2. Дві підвішені на шовкових нитках паперові гільзи, заряджені від скляної палички, відштовхуються один від одного: - сила тяжіння, що діє на гільзу, - електрична сила, - сила, що врівноважує силу натягу нитки

До зіткнення з натертою скляною паличкою підвішені грузики під дією сили тяжіння та сили натягу нитки опинялися у рівновазі у вертикальному положенні. Тепер їхнє положення рівноваги інше. Отже, крім уже згаданих сил, на вантажі діють ще якісь сили. Ці сили відмінні від сил тяжіння, від сил, що виникають при деформації тіл, від сил тертя та інших сил, які ми вивчали в механіці. У щойно описаних простих дослідах ми зустрічаємося з проявом сил, які отримали назву електричних.

Тіла, які діють на навколишні предмети електричними силами, ми називаємо наелектризованими або зарядженими і кажемо, що на цих тілах знаходяться електричні заряди.

В описаних дослідах ми заряджали скло за допомогою тертя про шовк. Ми могли б замість скла вибрати сургуч, ебоніт, плексиглас, бурштин і замінити шовкову матерію шкірою, гумою та іншими предметами. Досвід показує, що за допомогою тертя можна зарядити будь-яке тіло.

На явище електричного відштовхування заряджених тіл засновано пристрій електроскопа – приладу виявлення електричних зарядів. Він складається з металевого стрижня, до якого підвішено дуже тонкий алюмінієвий або паперовий листок або два листки (рис. 3, а). Стрижень укріплений за допомогою ебонітової або бурштинової пробки усередині скляної банки, що оберігає листки від руху повітря. На рис. 3,б дано умовне зображенняелектроскопа, яким ми і користуватимемося надалі.

Мал. 3. Простий електроскоп: а) загальний вигляд; б) умовне зображення

Торкнемося стрижня електроскопа зарядженим тілом, наприклад, натертою скляною паличкою. Листки відштовхнуться від стрижня і відхилиться на деякий кут. Якщо тепер видалити паличку, то листки залишаться відхиленими, а це означає, що при зіткненні із зарядженим тілом на стрижень та листки електроскопа переходить певний заряд.

Зарядимо електроскоп за допомогою скляної палички, помітимо відхилення листків, торкнемося електроскопа ще раз іншим місцем зарядженого скла і знову приберемо паличку. Відхилення листків збільшиться. Після третього дотику воно буде ще більше і т. д. Ми бачимо, що електричні сили, що зумовлюють відхилення листків, можуть бути і більше і менше, а отже, і заряд на електроскопі може бути більшим або меншим. Таким чином, можна говорити про заряд, що знаходиться на тому чи іншому тілі, в нашому прикладі - на електроскопі, як про деяку кількісну міру, що характеризує певні природні явища.

Наелектризовані тіла, як показують досліди, взаємодіють один з одним – притягуються та відштовхуються. Розглянемо тепер, як передається дія одного наелектризованого тіла інше. Можливо, воно передається через повітря?З'ясуємо це з досвіду. Помістимо заряджений електроскоп під дзвін повітряного насоса та з-під дзвону викачаємо повітря (рис. 217). Досвід показує, що і в безповітряному просторілисточки електроскопа, як і раніше, відштовхуються один від одного. Отже, електрична взаємодія передається через повітря. Але з цього досвіду ще не можна встановити: чи діють електричні заряди один на одного на відстані чи між ними існує щось матеріальне, що не відчувається нами, черезщо передається ця дія. Питання це не просте, ним займалися вчені багатьох країн і багато років. Відповідь на нього дали у своїх роботах англійські фізики Фарадей та Максвелл.

Згідно з вченням Фарадея і Максвелла простір, що оточує наелектризоване тіло, відрізняється від простору, що знаходиться навколо не наелектризованих тіл. У просторі, де знаходиться електричний зарядіснує електричне поле. Електричне поле є вид матерії, який відрізняється від речовини.Ми за допомогою наших органів чуття не можемо безпосередньо сприймати електричне поле. Про існування електричного поляможна судити лише з його дій. Електричне поле заряду діє з деякою силою на будь-який інший заряд, що опинився в полі даного заряду.

Сила, з якою електричне поле діє на внесений до нього електричний заряд, називається електричною силою.

У дослідах не тільки заряджена паличка своїм електричним полем діє на заряджену гільзу, а й гільза, у свою чергу,своїм електричним полем діє паличку. Отже, як завжди, має місце взаємодія тел.

Підвісимо на нитці заряджену гільзу. Піднесемо до неї заряджену паличку різноіменним зарядом, як показано на малюнку 218. Потім наближатимемо підставку з гільзою до зарядженої палички.По кутку відхилення нитки зауважимо, що чим ближче гільза до палички, тим більшою силою діє на неї електричне поле зарядженої палички. Отже, поблизу заряджених тіл дія поля сильніша, а при віддаленні від них поле слабшає.

Запитання. 1. Опишіть досвід, який показує, що електрична взаємодія передається через повітря. 2. Чим відрізняється простір, що оточує наелектризоване тіло, від простору, що оточує ненаелектризоване тіло? 3. Як можна знайти електричне поле? 4. Як змінюється сила, що діє на заряджену гільзу при віддаленні її від зарядженого тіла?

Досліди, що дозволяють виявити тяжіння чи відштовхування заряджених тіл, переконують нас у тому, що електричні заряди взаємодіють з відривом. Причому чим ближче один до одного знаходяться наелектризовані тіла, тим взаємодія між ними сильніша, чим далі – тим слабше.

При вивченні механіки ми бачили, що дія одного тіла на інше відбувається безпосередньо за їхньої взаємодії. Як же пояснити взаємодію наелектризованих тіл? У наших дослідах наелектризовані тіла знаходилися одне від одного на певній відстані. Можливо, дія одного наелектризованого тіла на інше передається через повітря, що знаходиться між тілами? Проте заряджені тіла взаємодіють і безповітряному просторі. Якщо помістити заряджений електроскоп під дзвін повітряного насоса, то листочки електроскопа, як і раніше, відштовхуються один від одного (рис. 36). (З-під дзвону повітря відкачано.) Вивченням взаємодії електричних зарядів займалися англійські фізики Майкл Фарадей та Джеймс Максвелл.

Мал. 36. Заряджений електроскоп під дзвоном повітряного насоса

Внаслідок тривалого вивчення електричних явищвстановлено, що будь-яке заряджене тіло оточене електричним полем.

Електричне поле – це особливий виглядматерії, що відрізняється від речовини.

Наші органи чуття не сприймають електричне поле. Виявити поле можна завдяки тому, що воно діє на всякий заряд, що знаходиться в ньому. Саме цим і пояснюється взаємодія наелектризованих тіл. Електричне поле, що оточує один із зарядів, діє з деякою силою на інший заряд, поміщений у полі першого заряду. І навпаки, електричне поле другого заряду діє перший.

Сила, з якою електричне поле діє на внесений до нього електричний заряд, називається електричною силою.

Коли ми підносили заряджену паличку до зарядженої гільзи, спостерігали відштовхування гільзи. Ми тим самим виявляли електричне поле палички на його заряд, що знаходиться на гільзі. Але й гільза своїм полем діяла на ебонітову паличку. Таким чином, у разі наелектризованих тіл спостерігається взаємодія.

Численні досліди дозволяють зробити висновок про те, що поблизу зарядженого тіла дія поля сильніша, а в міру віддалення від нього дія поля слабшає.

Так, піднесемо до гільзи паличку, що має заряд протилежного знака. У міру наближення палички до гільзи кут відхилення гільзи збільшуватиметься (рис. 37). Отже, що ближче розташовані заряджені тіла, то сильніша дія поля.

Мал. 37. Залежність дії електричного поля від відстані до заряду

Оскільки будь-який заряд, що у електричному полі, діє сила, отже, під час переміщення заряду полем відбувається робота. А якщо поле здатне здійснити роботу, то воно має енергію.

Запитання

1. Опишіть досвід, який показує, що електрична взаємодія передається через повітря.
2. Чим відрізняється простір, що оточує наелектризоване тіло, від простору, що оточує ненаелектризоване тіло?
3. Як виявити електричне поле?
4. Як змінюється сила, що діє на заряджену гільзу при віддаленні її від зарядженого тіла? Як це показати на досвіді?

Вправа

1. Куди будуть рухатися негативно заряджені пушинки, що потрапили в електричне поле потертою хутром ебонітової палички?
2. До зарядженої гільзи піднесли паличку з зарядом протилежного знака. Як змінюватиметься відхилення гільзи в міру наближення палички? Чому?

Електрична взаємодія

Механіка вчить, що одностороннього тяжіння – і взагалі односторонньої дії – не може: будь-яка дія є взаємодія. Якщо наелектризована паличка притягує різні предмети, то вона і сама має притягатися до них. Щоб переконатися в цьому, потрібно тільки повідомити гребінь або паличку рухливість, наприклад, підвісивши її на нитковій петлі (краще, якщо нитка шовкова). Тоді легко виявити, що всякий ненаелектризований предмет – хоч би ваша рука – притягує гребінь, змушує його повертатися тощо. Це, повторюємо, загальний законприроди. Він проявляється завжди і всюди: будь-яка дія є взаємодія двох тіл, що діють один на одного у протилежному напрямку.