Электрическое поле. Действие электрического поля на электрические заряды

На прошлом уроке мы с вами показали, что тела, имеющие заряды противоположного знака, взаимно притягиваются, а одноимённого — отталкиваются. При этом сила взаимодействия между наэлектризованными телами сложным образом зависит от формы наэлектризованных тел и характера распределения заряда на них. И только взаимодействие точечных зарядов можно описать в достаточно простой форме.

Точечным мы с вами будем называть заряд такого заряженного тела, размеры которого значительно меньше расстояния от этого тела до точки наблюдения и до других тел (то есть размерами заряженного тела в условиях данной задачи можно пренебречь).

А теперь давайте с вами вспомним, что при изучении механики мы видели, что действие одного тела на другое происходит непосредственно при их взаимодействии. Как же тогда объяснить взаимодействие наэлектризованных тел? В наших опытах наэлектризованные тела находились друг от друга на некотором расстоянии. Может быть, действие одного наэлектризованного тела на другое передаётся через воздух, находящийся между телами? Однако, если поместить заряженный электроскоп под колокол воздушного насоса и откачать воздух, то мы увидим, что листочки электроскопа по-прежнему будут отталкиваться друг от друга.

Это навело многих учёных на мысль о том, что «заряды действуют друг на друга напрямую через пустоту и мгновенно». Иными словами, для передачи взаимодействия от одного тела к другому никакие посредники не нужны. Такие представления лежали в основе теории дальнодействия. Эта теория достаточно долгое время была господствующей в физике. Она казалась самой простой, и при этом позволяла получать важные результаты, согласующиеся с опытом.

Однако были и учёные, которые придерживались другой, диаметрально противоположной теории — теории близкодействия. Ведь идея о том, что тело может непосредственно действовать там, где его нет, казалась весьма сомнительной. А согласно теории близкодействия, действие тел друг на друга на расстоянии всегда должно объясняться присутствием некоторых промежуточных агентов (то есть звеньев или среды), передающих действие от точки к точке.

Многие учёные, сторонники теории близкодействия, для объяснения происхождения гравитационных и электромагнитных сил придумывали невидимые и неосязаемые субстанции или истечения, которые, по их мнению, заполняли всё пространство. Размышления эти были подчас остроумны, но обладали немаловажным недостатком — эксперимент их не подтверждал.

Решительный поворот к представлениям близкодействия был начат в XIX веке великим английским учёным Майклом Фарадеем. Он первым догадался, что «тела действуют друг на друга на расстоянии посредством обращения окружающей среды в состояние напряжения». Вместе с идеей близкодействия Фарадеем в науку было введено и понятие о поле как о посреднике, осуществляющем взаимодействие. Однако доказательств существования поля у учёного не было. Успех к теории близкодействия Фарадея пришёл только после изучения электромагнитных взаимодействий движущихся заряженных частиц его гениальным соотечественником и преемником Джеймсом Клерком Максвеллом. Он первым математически доказал, что вокруг движущихся зарядов возникает новая сущность, впоследствии названная электромагнитным полем. А уже после сделал вывод и о реальности существования электрического поля неподвижных зарядов.

Согласно современным представлениям электрическое поле — это особый вид материи, посредством которой взаимодействуют электрически заряженные тела или частицы. Даже в вакууме заряженное тело окружено электрическим полем.

Если электрическое поле создано неподвижным электрическим зарядом относительно рассматриваемой инерциальной системы отсчёта, то его называют электростатическим полем.

Важно запомнить, что электростатическое поле постоянно во времени и создаётся только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано. Если же электрическое поле изменяется с течением времени, то его называют переменным электрическим полем. Многие (хотя и не все) свойства статических и переменных полей совпадают. Поэтому в дальнейшем, говоря о свойствах поля, мы будем называть это поле просто электрическим, если данное свойство в равной мере присуще как статическим, так и переменным полям.

Электрическое поле не действует ни на какие известные вам приборы: динамометр, термометр, барометр и на наши чувства: зрение, осязание, обоняние, слух. Мы не можем ни потрогать, ни увидеть это поле, хотя оно реально существует. В существовании электрического поля можно убедиться только по его действиям.

Представьте себе, что вы не знаете, существует электрическое поле около металлического шара или его нет. Заряжен шар или нет, вы тоже не знаете. Можно ли это как-либо выяснить? Можно, и вы даже знаете как: если маленький незаряженный шарик из металлической фольги никак не реагирует на большой, — поля нет. Если же он притянется, значит, шар заряжен и посредством электрического поля действует на шарик.

Таким образом, вокруг каждого заряженного тела существует электрическое поле. Если в поле заряженного тела внести другое заряженное тело, эти тела начнут взаимодействовать — притягиваться или отталкиваться друг от друга. При этом сила их взаимодействия будет зависеть от расстояния между заряженными телами.

Пронаблюдать подобную зависимость несложно. Например, если два разноимённо заряженных шарика, подвешенных на нити, расположить на некотором расстоянии друг от друга, то, очевидно, они притянутся. Уменьшим расстояние между шариками. Притяжение между ними при этом увеличится, и увеличатся углы их отклонения. Это говорит о том, что сила, с которой действует электрическое поле каждого из зарядов на другой заряд, увеличилась.

Напомним, что силу, с которой электрическое поле действует на внесённый в него электрический заряд, называют электрической силой или силой Кулона.

Электрическая сила, с которой взаимодействуют заряды, зависит также и от значения зарядов. Если теперь заряды шариков увеличить и вернуть их на первоначальное расстояние, то можно будет увидеть, что заряженные тела притянутся сильнее, чем в первом случае. Иначе говоря, чем больше значение взаимодействующих зарядов, тем больше электрическая сила, действующая между ними.

Также отметим, что силы взаимодействия двух точечных зарядов не изменяются при появлении третьего точечного заряда или любого числа точечных зарядов. В этом случае результирующая сила является векторной суммой сил, с которыми каждый из этих зарядов действует в отдельности на внесённый заряд. В этом и заключается принцип суперпозиции электрических полей:

Для примера давайте с вами предположим, что у нас есть три разные системы, состоящих из двух взаимодействующих точечных зарядов. В каждую из этих систем вносят ещё один точечный заряд, например, положительный, так, чтобы он находился на некотором расстоянии от первых двух. Куда будет направлена результирующая сила, действующая на внесённый заряд в каждом из случаев, если модули зарядов одинаковы?

Рассмотрим первый случай. Итак, мы видим, что в вершинах основания треугольника находятся два положительных заряда. Внесённый заряд тоже положительный. Значит со стороны заряда один и заряда два на внесённый заряд будут действовать силы отталкивания, направленные вдоль прямой, соединяющей эти заряды (незабываем, что электрические силы — это центральные силы).

Равнодействующая же сила, действующая на помещённый заряд, равна геометрической сумме этих двух сил. Для её нахождения мы с вами должны воспользоваться одним из правил сложения векторов: правилом треугольника либо правилом параллелограмма.

Теперь разберёмся со вторым случаем. Как видно, в вершинах основания треугольника находятся два отрицательных заряда. Значит, между зарядами три и один и зарядами три и два действуют силы притяжения, которые, как и в прошлом случае, направлены вдоль прямой, соединяющей центры зарядов. Равнодействующую этих двух сил определяем по правилу треугольника.

И наконец последний случай. Теперь в вершинах основания треугольника находятся разноимённые заряды. Поэтому со стороны заряда один на заряд три будут действовать сила отталкивания. А со стороны заряда два на заряд три — сила притяжения. Их равнодействующую мы определим по правилу параллелограмма.

В 1729 году исследуя явление электризации через влияние английский физик Стефан Грей установил, что все вещества, известные на то время, можно разделить на два класса: способные переносить электрические заряды и этим свойством не обладающие. Соответствующие термины «проводник» и «изолятор» были введены ещё одним английским учёным Жаном Теофилом Дезагюлье.

В настоящее время проводниками называют тела, вещества или среды, через которые электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

А изоляторы (или непроводники) — это вещества, через которые электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.

В 1838 году Майкл Фарадей предложил называть изоляторы диэлектриками (от греческого «диа» — через, и английского «электрик» — электрический), так как в эти вещества способно проникать электростатическое поле.

Очень важно понять, что идеальных диэлектриков в природе нет. У любого диэлектрика можно обнаружить хотя бы малую проводимость. Так, если оставить на несколько часов заряженный электроскоп, то его заряд со временем уменьшится. Это говорит о наличии некоторой проводимости у воздуха.

В ХХ веке была открыта третья группа веществ — полупроводники, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К таким веществам относят 12 химических элементов в средней части таблицы Менделеева, множество оксидов и сульфидов металлов, а также других химических соединений.

Давайте изучим основные свойства полупроводников с помощью двух простых опытов. Для этого соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, чистого полупроводника и миллиамперметра. Замкнём цепь. Амперметр нам показывает, что по цепи идёт достаточно слабый ток. А теперь нагреем исследуемый полупроводник.

Нетрудно заметить, как по мере роста его температуры сила тока в цепи возрастает. Это свидетельствует о том, что удельное сопротивление полупроводников с увеличением температуры не растёт как у металлов, а, наоборот, достаточно резко уменьшается. При этом зависимость сопротивления полупроводников от температуры является нелинейной. С понижением же температуры сопротивление полупроводников возрастает и вблизи абсолютного нуля становится таким же большим, как и у диэлектриков.

Давайте вернём наш полупроводник в исходное состояние, но теперь будем не нагревать его, а освещать при помощи обычного фонарика.

Изменяя освещённость поверхности, мы наблюдаем изменение показаний миллиамперметра. Результаты наших наблюдений означают, что при освещении поверхности полупроводника его сопротивление уменьшается.

Благодаря удивительным свойствам полупроводников они широко используются при создании транзисторов, тиристоров, полупроводниковых диодов, фоторезисторов и другой сложнейшей аппаратуры. Применение интегральных микросхем в теле-, радио- и компьютерных приборах позволяет создавать устройства небольших, а порой и ничтожно малых размеров.