Электрическое поле (Гребенюк Ю.В.)
Введение
Ранее мы обсудили тот факт, что существует два рода электрических зарядов. Кроме того, мы поговорили о проводниках и диэлектриках. Также мы отмечали такое явление, что при расчесывании чистые сухие волосы тянутся за расческой. Понятно, что в этом случае происходит электризация: и волосы, и расческа приобретают электрический заряд. А вот почему волосы даже на расстоянии повторяют движение расчески, как кобра движение дудочки индийского факира? Мы привыкли к тому, что для взаимодействия тел необходим их контакт: например, чтобы мяч полетел в ворота необходимо, чтобы по нему ударила нога футболиста ну или другая какая-то часть тела. Однако тот же опыт с расческой показывает нам, что для электрического взаимодействия контакт необходим далеко не всегда. В чем же дело? Может, дело в воздухе, который является посредником между расческой и волосами?
Опыт №1
Виды полей. Гравитационные поле
Мы познакомились с двумя видами взаимодействия тел, удаленных друг от друга на некоторое расстояние, – гравитационным и электрическим. Как же происходит это взаимодействие? Как одно тело чувствует, что где-то находится другое? Для объяснения взаимодействий на расстоянии была выдвинута гипотеза о существовании полей. Электрическое поле проявляет себя в действии на тела, имеющие электрический заряд, и создается телами, имеющими электрический заряд. Кроме электрического поля, существует, например, гравитационное поле, которое проявляет себя в действии на любые тела, обладающие массой. Гравитационное поле создается телами, обладающими массой. Таким образом, электрическое и гравитационное взаимодействия осуществляются по следующей схеме: одно тело создает поле, это поле действует на другое тело. Однако есть существенный нюанс в том, как взаимодействуют два тела. На заре становления классической физики возникли две противоборствующие концепции: дальнодействие (непосредственное действие тел на расстоянии) и короткодействие (близкодействие).
Согласно концепции дальнодействия, тела действуют друг на друга без материальных посредников, через пустоту на любом расстоянии. Такое взаимодействие осуществляется с бесконечно большой скоростью (но подчиняется определённым законам).
Согласно концепции короткодействия (близкодействия), взаимодействия передаются с помощью особых материальных посредников и с конечной скоростью. Например, в случае электрического взаимодействия таким посредником является электрическое поле.
Принципиальное отличие теории близкодействия, принятой на сегодняшний день, можно рассмотреть на простом примере: взаимодействие двух точечных частиц. Концепция близкодействия постулирует, что в процессе этого взаимодействия частица А испускает другую частицу – С. Частица С поглощается частицей В, что в свою очередь приводит к изменению импульса и скорости последней (см. рис. 1).
Рис. 1. Поглощение частицы С частицей В
В результате создается иллюзия непосредственного влияния частиц A и B друг на друга. Стоит отметить, что на данный момент абсолютно точно доказано существование частиц, которые осуществляют электрическое взаимодействие. Однако обнаружить частиц-переносчиков в гравитационном поле (так называемых гравитонов) при нынешнем уровне развития техники пока не удалось.
Направление и силовую характеристику гравитационного поля мы чувствуем. В любой момент вы можете указать, где верх, где низ. Низ – это и есть направление силовой характеристики гравитационного поля Земли.
У человека есть специальный парный орган, расположенный в ушах, вестибулярный аппарат, определяющий направление гравитационного поля. Органа для обнаружения постоянного электрического поля нет. Однако электрическое поле можно почувствовать по результатам его воздействия. Так, под действием поля волосы могут встать дыбом.
Важным отличием электрического поля от гравитационного является то, что в электрическом поле мы обсуждали два типа зарядов – положительные и отрицательные. В гравитационном поле мы говорим только о притяжении, то есть об одном типе зарядов. Кроме того, от гравитационного поля спрятаться не удаётся, а вот от электрического достаточно легко (существуют различные устройства, позволяющие экранировать электрическое поле и избежать его воздействия)
Чтобы опровергнуть или подтвердить эту теорию, давайте проведем эксперимент. Возьмем заряженный электроскоп с вынутыми стеклами и поместим его под колокол воздушного насоса. Мы увидим, что лепестки электроскопа будут по-прежнему отталкиваться (см. рис. 2).
Рис. 2. Заряженный электроскоп под колоколом воздушного насоса
Это убеждает в том, что для передачи электрического взаимодействия воздух совершенно необязателен. В чем же дело? Почему пластмассовая расческа оказывает поистине магическое воздействие на наши волосы, а заряженная палочка притягивает незаряженные листочки бумаги, даже не касаясь их? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте проведем опыт.
Опыт 1
Возьмем маленький воздушный шарик, натертый графитом, также возьмем эбонитовую палочку и кусочек шерсти. Теперь натрём эбонитовую палочку. Как вы уже знаете, в этом случае палочка приобретает заряд, который мы и сообщили нашему шарику (см. рис.3).
Рис. 3. Передача заряда шарику
Теперь возьмем оргстекло и лист бумаги, наэлектризуем также оргстекло и поднесем его к нашему шарику (см. рис. 4).
Рис. 4. Стекло, поднесенное к шарику
Двигая пластинку от шарика, можно добиться того, что шарик будет ориентирован вертикально вверх, то есть находиться в совершенно неестественном положении. Почему же так происходит? Почему шарик движется вслед за пластиной? Очевидно, на него действует какая-то сила, и важен тот факт, что шарик с пластинкой не контактирует, то есть не взаимодействует непосредственно. Что же это за сила и за счет чего она возникает? Давайте попробуем в этом разобраться.
Рассмотрим силы, которые действуют на шарик. Это сила тяжести 
, которая направлена вертикально вниз, и сила натяжения нити 
, которая направлена вдоль нити по направлению шарика к точке подвеса (см. рис. 5).
Рис. 5. Сила тяжести и сила натяжения нити, действующие на шарик
Даже без строго математического обоснования вполне понятно, что эти две силы не смогли бы удержать шарик в равновесии. Особенно это видно во втором случае, когда обе эти силы направлены вниз, то есть под их действием шарик должен был неизбежно падать вниз. Значит, можно сделать следующий вывод: на шарик, кроме силы тяжести и силы натяжения нити, со стороны наэлектризованной пластины действует третья сила, которую назовём 
(см. рис. 6).
Рис. 6. Сила тяжести и сила натяжения нити направлены вниз
К такому же выводу пришли английские ученые Фарадей и Максвелл. Согласно их учению, пространство, которое окружает заряженные тела, несколько отличается от пространства, которое окружает не наэлектризованные тела. В нашем эксперименте пространство вокруг заряженной пластины таким образом действует на внесенный в это пространство шарик, что шарик начинает отклоняться, то есть возникает сила, действующая на шарик. В этом случае говорят о наличии электрического поля.
Поляризация диэлектриков
Мы уже обсуждали на прошлом уроке, что диэлектрики – это вещества, в которых практически отсутствуют свободные заряженные частицы (в дальнейшем мы выясним, что диэлектрики плохо проводят электрический ток). Из этих свойств диэлектриков можно было бы сделать вывод, что они должны слабо реагировать на изменение электрического поля возле себя.
Однако электрическое поле проявляется и в опытах с диэлектриками. Когда диэлектрик оказывается в электрическом поле, положительно заряженные части его молекул (атомные ядра) под действием поля смещаются в одну сторону, а отрицательно заряженные части (электроны) – в другую сторону. Это явление называют поляризацией диэлектрика. Именно поляризацией объясняются простейшие опыты по притяжению наэлектризованным телом легких кусочков бумаги. Эти кусочки в целом нейтральны. Однако в электрическом поле наэлектризованного тела (например, стеклянной палочки) они поляризуются. На той поверхности кусочка, что ближе к палочке, появляется заряд, противоположный по знаку заряду палочки (см. рис. 7).
Рис. 7. Поляризация диэлектрика
Взаимодействие с ним и приводит к притяжению кусочков бумаги к наэлектризованному телу
Электрическое поле
Что же такое электрическое поле? Электрическое поле – это особая форма материи, которая существует вокруг заряженных частиц или тел и действует с некоторой силой на другие частицы или тела, обладающие электрическим зарядом. Эта сила, с которой электрическое поле действует на другие заряженные тела и частицы, называется электрической силой. Ни увидеть, ни потрогать электрическое поле невозможно. Например, в нашем эксперименте электрическое поле заряженной пластины таким образом действовало на шарик, что он начал отклоняться. Посредством электрического поля и осуществляется электрическое взаимодействие.
Свойства электрического поля
Простые опыты позволяют определить некоторые свойства электрического поля:
1) электрическое поле заряженного тела действует с некоторой силой на всякое другое заряженное тело, оказавшееся в этом поле. В частности, этот фактор подтверждается с пластиной и шариком.
2) вблизи заряженных тел создаваемое ими поле сильнее, а вдали – слабее. Чтоб убедиться в этом, обратимся к опыту с пластиной и шариком. Мы видим, чем ближе пластинка приближается к шарику, тем больше угол отклонения нити от вертикали (см. рис. 8).
Рис. 8. Угол отклонения нити от вертикали
Увеличение этого угла свидетельствует о том, что, чем ближе шарик к источнику электрического поля (пластинки), тем с большей силой действует на нее это поле.
3) не только заряженная пластинка своим электрическим полем действует на заряженный шарик, но и шарик своим электрическим полем действует на пластинку. В таком взаимном действии друг на друга и проявляется электрическое взаимодействие заряженных тел.
Силовые линии электрического поля
Со времен Фарадея для графического изображения электрического поля принято использовать силовые линии. Силовые линии электрического поля – это линии, указывающие направление силы, действующей в этом поле на помещаемую в него положительно заряженную частицу. Силовые линии поля, создаваемого положительно и отрицательно заряженными телами, показаны на рисунке (см. рис. 9).
Рис. 9. Силовые линии поля, создаваемого положительно и отрицательно заряженными телами
Подобную картину можно наблюдать с помощью простого устройства, называемого электрическим султаном. Сообщив ему заряд, мы увидим, как все его бумажные полоски разойдутся в разные стороны и расположатся вдоль силовых линий электрического поля (см. рис. 10).
Рис. 10. Электрический султан
Когда заряженная частица попадает в электрическое поле, ее скорость в этом поле может как увеличиться, так и уменьшиться. Если заряд частицы 
, то при движении вдоль силовых линий она будет разгоняться (см. рис. 11), а при движении в противоположном направлении тормозить. Если же заряд частицы 
, то все будет наоборот: ее скорость будет уменьшаться при движении в направлении силовых линий и увеличиваться при движении в противоположном направлении (см. рис. 12).
Рис. 11. Заряд частицы 
положительный
Рис. 12. Заряд частицы отрицатеьный
Мы обсудили понятие электрического поля, экспериментально подтвердили его наличие вблизи заряженных тел, сформулировали некоторые его свойства, а также поговорили о влиянии электрического поля на организм человека.