електротехніка

Електричні взаємодії

Перші кроки до розгадки природи електрики були зроблені під час вивчення електричних розрядів, які виникають між різнойменно зарядженими тілами. Такі розряди нагадують малюсіньку блискавку.

Для того щоб зрозуміти появу всіх цих іскор, ознайомимося з одним з електричних явищ. Візьмімо пластмасовий гребінець або авторучку й проведемо нею кілька разів по сухому волоссю або вовняному светру. Як не дивно, але після такої простої дії пластмаса набуде нової властивості: почне притягувати дрібні шматочки паперу, інші легкі предмети й навіть тонкі струмки води.

Із виконаних дослідів і спостережень можна зробити висновок:

явища, у яких тіла набувають властивості притягувати інші тіла, називають електризацією.

У XVII столітті німецький учений Отто фон Герике виявив, що електрична взаємодія може бути не тільки притягуванням, але й відштовхуванням. На початку XVIII століття французький учений Шарль Дюфе пояснив притягування й відштовхування наелектризованих тіл існуванням двох типів електричних зарядів:

якщо тіла мають електричні заряди того самого типу, вони відштовхуються, а якщо різних типів, то притягаються.

Тіла, що мають здатність до електричних взаємодій, називають наелектризованими. Якщо тіло наелектризоване, говорять, що воно має електричний заряд.

Електричний заряд — це фізична величина, що характеризує інтенсивність електромагнітних взаємодій тіл або частинок.

Заряди різних типів назвали позитивними і негативними. Електричний заряд наелектризованої скляної палички, потертої об шовк, назвали позитивним, а заряд ебонітової палички, потертої об хутро, — негативним.

Тіла, що не мають електричного заряду, називають незарядженими, або електронейтральними. Але іноді й такі тіла мають здатність до електричних взаємодій.

Закон Кулона

Французький учений Шарль Кулон досліджував, як залежить сила взаємодії між зарядженими тілами від значень зарядів тіл і від відстані між ними. У своїх дослідах Кулон не враховував розміри тіл, що взаємодіють.

Заряд, поміщений на тілі, розміри якого малі порівняно з відстанями до інших тіл, із якими воно взаємодіє, називають точковим зарядом.

Закон Кулона, відкритий 1785 p., кількісно описує взаємодію заряджених тіл. Він є фундаментальним законом, тобто установлений за допомогою експерименту й не випливає ні з якого іншого закону природи.

Ø  Нерухомі точкові заряди q1 й q2 взаємодіють у вакуумі із силою F, прямо пропорційною модулям зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані r між зарядами:

Значення коефіцієнта пропорційності k залежить від вибору системи одиниць.

Одиниця електричного заряду в СІ названа на честь Кулона — це 1 кулон (Кл).

Коефіцієнт пропорційності k в законі Кулона чисельно дорівнює k = 9·109 Н·м2/Кл2. Фізичний зміст цього коефіцієнта полягає ось у чому: два точкові заряди по 1 Кл кожний, що перебувають на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою, що дорівнює 9·109 Н.

Електричне поле

В основі всіх фізичних явищ лежить взаємодія між тілами або частинками, що беруть участь у цих явищах. Механічна дія тіл одне на одного відбувається або в разі безпосереднього зіткнення тіл, або за наявності між ними якого-небудь матеріального посередника. Так, під час удару двох куль здійснюється безпосередній контакт обох тіл, що взаємодіють, а під час буксирування одного автомобіля іншим дія одного автомобіля на інший передається через третє тіло — трос. Земля рухається навколо Сонця через те, що взаємодіє з ним через гравітаційне поле.

У всіх випадках, коли між двома тілами немає контакту, можна виявити таке «третє тіло», яке, будучи посередником, передає дію від одного тіла до іншого, причому з кінцевою швидкістю.

Наприклад, дія тіла, що видає звук, на барабанну перетинку вуха передається через повітря зі швидкістю звуку. Інша справа — взаємодія електричних зарядів. Заряджені тіла діють одне на одне, хоча на перший погляд немає ніякого посередника між ними.

Відповідно до припущення англійського вченого М. Фарадея навколо заряджених тіл існує середовище, за допомогою якого й здійснюється електрична взаємодія. Простір, що оточує один заряд, впливає на простір, що оточує інший заряд, і навпаки. Посередником у цій взаємодії і є електричне поле:

Ø  кожне заряджене тіло створює електричне поле, що діє на інші заряджені тіла.

До Фарадея вважали, що матерія існує тільки у формі речовини, а взаємодія між тілами, що складаються із цієї речовини, відбувається тільки під час безпосереднього контакту або через простір без якого-небудь «посередника» (наприклад, за допомогою сил тяжіння). Фарадей же припустив, що існує інша форма матерії — поле, причому поле є посередником під час взаємодії тіл.

Таким чином,

Ø  електричне поле — це форма матерії, за допомогою якої здійснюється взаємодія між електрично зарядженими тілами.

Головна властивість електричного поля полягає в його здатності діяти на електричні заряди із певною силою.

Чим більший електричний заряд тіла, тим сильніше електричне поле створює навколо себе це тіло. Здатність електричного поля діяти на заряд дозволяє ввести кількісну характеристику електричного поля.

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 до заряду F/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.

Ø  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: [Е] = Н/Кл.

Щоб повністю охарактеризувати електричне поле, треба задати його напруженість у кожній точці простору. Тоді силу 1, що діє на довільний заряд qt, який перебуває в цій точці, можна знайти за формулою 1 = q1, де  — напруженість поля в цій точці.

3. 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 E =F/q, одержуємо, що модуль напруженості поля точкового заряду

Лінії напруженості

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

Ø 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.

б. 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.

Ø  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,

Ø  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:

Робота під час переміщення заряду в електричному полі

Розглянемо переміщення заряду q із точки а в точку b в електростатичному полі, створюваному зарядами q1 і q2 (див. рисунок). Очевидно, що під час переміщення заряду q0 із точки а в точку bй назад була виконана робота, що дорівнює:

А = А1 + А2

Оскільки заряд q повернувся у вихідну точку, то система зарядів залишилася незмінною, а отже, і поле залишилося незмінним. Кожне певне поле має певну енергію. Енергія в цьому випадку залишилася незмінною, а оскільки робота є мірою зміни енергії, то сумарна робота дорівнює нулю: А = 0 (2).

Умови (1) і (2) поєднувані лише за умови, що