4.1 Напруженість електричного поля

Якщо по черзі поміщати в ту саму точку поля невеликі заряджені тіла й вимірювати сили, що діють на них з боку поля, то виявиться, що сили прямо пропорційні величинам зарядів. Відношення сили F до заряду q залишається постійним, не залежить від модуля заряду й характеризує тільки електричне поле в тій точці, де перебуває заряд. Цю характеристику називають напруженістю електричного поля.

• Відношення сили , що діє з боку електричного поля на точковий пробний заряд q, поміщений у цю точку поля, до цього заряду називається напруженістю електричного поля в цій точці:

Напруженість поля в одиницях СІ виражають: .

Щоб повністю охарактеризувати електричне поле, треба задати його напруженість у кожній точці простору. Тоді силу , що діє на довільний заряд q₁ , який перебуває в цій точці, можна знайти за формулою ,

де — напруженість поля в цій точці.

4.2. Напруженість поля точкового заряду

Модуль напруженості поля в цій точці знайдемо за допомогою закону Кулона. На заряд q, що перебуває на відстані r від заряду Q, діє сила . Оскільки модуль напруженості поля , одержуємо, що модуль напруженості поля точкового заряду .

4.3. Принцип суперпозиції

Дослід показує, що якщо пробний заряд перебуває в полі, створеному декількома зарядами, то кожний з них діє на пробний заряд незалежно від інших. У цьому полягає принцип суперпозиції полів:

напруженість електричного поля системи N зарядів дорівнює векторній сумі напруженостей полів, створюваних кожним з них окремо: .

4.4. Лінії напруженості

Електричне поле не діє на органи почуттів. Його ми не бачимо й не відчуваємо. Проте розподіл поля в просторі можна зробити видимим. Для цього уведемо своєрідну графічну модель електричного поля — лінії напруженості.

• Уявні лінії, дотичні до яких у кожній точці збігаються з напрямком напруженості електричного поля, називаються силовими лініями, або лініями напруженості електричного поля.

Щоб охарактеризувати не тільки напрямок, але й модуль напруженості поля в різних точках, силові лінії проводять так, що густота силових ліній пропорційна до модуля напруженості. У такому випадку силові лінії є безперервними, отже, починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних зарядах.

Силові лінії електричного поля не перетинаються (якби вони перетиналися, то в точці їх перетину напрямок напруженості поля не був би визначений).

За напрямок напруженості поля приймають напрямок сили, що діє на позитивний заряд.

Варто звернути увагу учнів на те, що лінії напруженості лише допомагають наочно уявити розподіл поля в просторі і є не більш реальними, ніж меридіани й паралелі на земній кулі.

4.5. Речовина в електричному полі

У деяких речовинах є заряджені частинки, які можуть вільно переміщатися в речовині. Такі частинки називають вільними зарядами, а речовини, що містять вільні заряди, називають провідниками.

Як тільки провідник потрапляє в електричне поле, то під впливом сил, що діють на вільні електрони з боку цього поля, вони починають рухатися упорядковано в напрямку, протилежному до напруженості поля. Цей процес перерозподілу зарядів у провіднику протікає майже миттєво. При цьому одна сторона провідника заряджається негативно (надлишок електронів), а інша — позитивно (нестача електронів). Ці заряди створюють поле, напруженість якого протилежна до напруженості зовнішнього поля.

Це поле збільшується за напруженістю доти, доки його не компенсує зовнішнє поле, і, отже, напруженість сумарного поля усередині об’єму провідника не дорівнюватиме нулю. Подальше збільшення заряду на кінцях провідника теж припиняється. Це явище дістало назву електростатичної індукції.

• Явище електростатичної індукції полягає в тому, що на кінцях провідника виникають різнойменні заряди в рівних кількостях, а напруженість поля усередині провідника дорівнює нулю.

Якщо провідник заряджений, то його вільні заряди розподіляться таким чином, щоб електричне поле усередині провідника стало рівним нулю, тому що й у цьому випадку вільні заряди будуть переміщатися в провіднику доти, поки поле усередині провідника не зникне.

Розрахунки й досліди показують, що статичний електричний заряд розташований завжди на поверхні провідника — як у випадку зарядженого, так і у випадку незарядженого провідника.

Відсутність електричного поля й зарядів усередині провідника використовують для створення так званого електростатичного захисту. Оскільки заряди на провіднику розташовуються на його поверхні, розподіл зарядів буде однаковим для суцільного й порожнього провідників — наприклад, для кулі й сфери такого самого радіуса. Отже, поле усередині провідної сфери або будь-якої іншої замкнутої ділянки, оточеної провідником, дорівнює нулю.

Тому чутливі до електричного поля прилади розміщують у металевих ящиках.

Електростатичний захист використовують і для того, щоб захистити людей, які працюють із пристроями, що перебувають у сильному електричному полі (металевою сіткою оточують робочий простір).

Речовини, у яких вільні заряди відсутні, називають діелектриками.

Діелектриками є гази й рідини. Серед твердих тіл найпоширеніші діелектрики — це скло, пластмаси, гума.

У діелектриках електрони міцно зв’язані зі своїми молекулами (або атомами).

У молекулах деяких речовин центри розподілу позитивних і негативних зарядів не збігаються. Такі діелектрики називають полярними, тому що в їхніх молекул є ніби два «полюси» зарядів — позитивний і негативний.

Діелектрики, у молекулах яких центри розподілу позитивних і негативних зарядів збігаються, називаються неполярними.

Під дією електричного поля позитивні й негативні заряди в молекулі «розтаскуються» у протилежні сторони. У результаті центри розподілу позитивних і негативних зарядів молекули перестають збігатися: у неї, так само як і в молекулі полярного діелектрика, з’являються позитивний і негативний «полюси».

Під дією електричного поля молекули як полярних, так і неполярних діелектриків «вишиковуються» в аналогічний спосіб — уздовж зовнішнього електричного поля. Це явище називається поляризацією діелектрика. При цьому усередині діелектрика позитивний і негативний заряди компенсуються, але на його поверхні з’являються заряди. Ці заряди називають зв’язаними, оскільки вони обумовлені перерозподілом заряду тільки усередині молекул (а не у всьому зразку, як це відбувається під час руху вільних зарядів у провіднику).

Напруженість «внутрішнього» поля, що виникло в результаті поляризації діелектрика, спрямована протилежно до напруженості зовнішнього електричного поля. У результаті модуль напруженості результуючого поля зменшується. Таким чином,

• внаслідок поляризації діелектрика електростатичне поле усередині діелектрика зменшується.

Величина, яка показує, у скільки разів зменшується електричне поле усередині однорідного діелектрика, називається діелектричною проникністю й позначається ε.

У результаті зменшення електричного поля зменшується й сила взаємодії заряджених тіл, занурених у діелектрик, тому що їх взаємодія здійснюється за допомогою поля. Наприклад, для зарядів, що перебувають в однорідному діелектрику з діелектричною проникністю ε, закон Кулона набуває такого виду:

.