ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электрическое поле. Электрический ток

УРОК 2/2

Тема. Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Цель урока: сформировать представление учащихся об электрическом поле и его свойства; дать понятие о напряженности электрического поля.

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрическое поле

В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами, участвующих в этих явлениях. Механическое воздействие тел друг на друга происходит либо в случае непосредственного соприкосновения тел, или при наличии между ними какого-либо материального посредника. Так, во время удара двух шаров осуществляется непосредственный контакт обоих тел, взаимодействующих, а во время буксировки одного автомобиля другим действие одного автомобиля на другой передается через третье тело - трос. Земля движется вокруг Солнца за то, что взаимодействует с ним через гравитационное поле.

Во всех случаях, когда между двумя телами нет контакта, можно обнаружить такое «третье тело», которое, будучи посредником, передает действие от одного тела к другому, причем с конечной скоростью.

Например, действие тела, что издает звук, на барабанную перепонку уха передается через воздух со скоростью звука. Другое дело - взаимодействие электрических зарядов. Заряженные тела действуют друг на друга, хотя на первый взгляд нет никакого посредника между ними.

Согласно предположение английского ученого М. Фарадея вокруг заряженных тел существует среда, с помощью которого и осуществляется электрическое взаимодействие. Пространство, окружающее один заряд, влияет на пространство, окружающее другой заряд, и наоборот. Посредником в этом взаимодействии и является электрическое поле:

Ø каждое заряженное тело создает электрическое поле, действующее на другие заряженные тела.

До Фарадея считали, что материя существует только в форме вещества, а взаимодействие между телами, которые состоят из этого вещества, происходит только во время непосредственного контакта или через пространство без какого-либо «посредника» (например, с помощью сил тяготения). Фарадей же предположил, что существует другая форма материи - поле, причем поле является посредником при взаимодействии тел.

Таким образом,

Ø электрическое поле - это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами.

Главное свойство электрического поля заключается в его способности действовать на электрические заряды с некоторой силой.

Чем больше электрический заряд тела, тем сильнее электрическое поле создает вокруг себя это тело. Способность электрического поля действовать на заряд позволяет ввести количественную характеристику электрического поля.

2. Напряженность электрического поля

Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, действующие на них со стороны поля, то окажется, что силы, прямо пропорциональны величинам зарядов. Отношение силы к заряду F/q остается постоянным, не зависит от модуля заряда и характеризует только электрическое поле в той точке, где находится заряд. Эту характеристику называют напряженностью электрического поля.

Ø Отношение силы , действующей со стороны электрического поля на точечный пробный заряд q, помещенный в эту точку поля, к этому заряду называется напряженностью электрического поля в этой точке:

Напряженность поля в единицах СИ выражают: [Е] = Н/Кл.

Чтобы полностью охарактеризовать электрическое поле, надо задать его напряженность в каждой точке пространства. Тогда силу 1, что действует на произвольный заряд qt, который находится в этой точке, можно найти по формуле 1 = q1, где - напряженность поля в этой точке.

3. Напряженность поля точечного заряда

Модуль напряженности поля в этой точке найдем с помощью закона Кулона. На заряд q, находящийся на расстоянии r от заряда Q, действует сила Поскольку модуль напряженности поля E = F/q, получаем, что модуль напряженности поля точечного заряда

4. Принцип суперпозиции

Опыт показывает, что если пробный заряд находится в поле, созданном несколькими зарядами, то каждый из них действует на пробный заряд независимо от других. В этом состоит принцип суперпозиции полей:

Ø напряженность электрического поля системы N зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

5. Линии напряженности

Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим не чувствуем. Однако распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Для этого введем своеобразную графическую модель электрического поля - линии напряженности.

Ø Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называются силовыми линиями, или линиями напряженности электрического поля.

Чтобы охарактеризовать не только направление, но и модуль напряженности поля в разных точках, силовые линии проводят так, что густота силовых линий пропорциональна модулю напряженности. В таком случае силовые линии являются непрерывными, следовательно, начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах.

Силовые линии электрического поля не пересекаются (если бы они пересекались, то в точке их пересечения направление напряженности поля не был бы определен).

За направление напряженности поля принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Стоит обратить внимание учащихся на то, что линии напряженности лишь помогают наглядно представить распределение поля в пространстве и является не более реальными, чем меридианы и параллели на земном шаре.

б. Вещество в электрическом поле

В некоторых веществах есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в веществе. Такие частицы называют свободными зарядами, а вещества, содержащие свободные заряды, называют проводниками.

Как только проводник попадает в электрическое поле, то под влиянием сил, действующих на свободные электроны со стороны этого поля, они начинают двигаться упорядоченно в направлении, противоположном напряженности поля. Этот процесс перераспределения зарядов в проводнике протекает почти мгновенно. При этом одна сторона проводника заряжается отрицательно (избыток электронов), а другая - положительно (недостаток электронов). Эти заряды создают поле, напряженность которого противоположна напряженности внешнего поля.

Это поле увеличивается за напряженностью до тех пор, пока его не компенсирует внешнее поле, и, следовательно, напряженность суммарного поля внутри объема проводника не будет равна нулю. Дальнейшее увеличение заряда на концах проводника тоже прекращается. Это явление получило название электростатической индукции.

Ø Явление электростатической индукции заключается в том, что на концах проводника возникают разноименные заряды в равных количествах, а напряженность поля внутри проводника равна нулю.

Если проводник заряжен, то его свободные заряды распределятся таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводника стало равным нулю, потому что и в этом случае свободные заряды будут перемещаться в проводнике до тех пор, пока поле внутри проводника не исчезнет.

Расчеты и опыты показывают, что статический электрический заряд всегда расположен на поверхности проводника, как в случае заряженного, так и в случае незаряженного проводника.

Отсутствие электрического поля и зарядов внутри проводника используют для создания так называемого электростатического защиты. Поскольку заряды на проводнике располагаются на его поверхности, распределение зарядов будет одинаковым для сплошного и полого проводников, например, для шара и сферы такого же радиуса. Следовательно, поле внутри проводящей сферы или любой другой замкнутой участка, окруженной проводником, равна нулю. Поэтому чувствительные к электрическому полю приборы размещают в металлических ящиках.

Электростатическая защита используют и для того, чтобы защитить людей, которые работают с устройствами, находящихся в сильном электрическом поле (металлической сеткой окружают рабочее пространство).

Вещества, в которых свободные заряды отсутствуют, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются газы и жидкости. Среди твердых тел наиболее распространенные диэлектрики - это стекло, пластмассы, резина.

В диэлектриках электроны прочно связаны со своими молекулами (или атомами).

В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие диэлектрики называют полярными, потому что в их молекул есть как бы два «полюса» зарядов - положительный и отрицательный.

Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов молекулы перестают

совпадать: у нее, так же как и в молекуле полярного диэлектрика, появляются положительный и отрицательный полюса».

Под действием электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков «выстраиваются» в аналогичный способ - вдоль внешнего электрического поля. Это явление называется поляризацией диэлектрика. При этом внутри диэлектрика положительный и отрицательный заряды компенсируются, но на его поверхности появляются заряды. Эти заряды называют связанными, поскольку они обусловлены перераспределением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит во время движения свободных зарядов в проводнике).

Напряженность «внутреннего» поля, которое возникло в результате поляризации диэлектрика, направлена противоположно напряженности внешнего электрического поля. В результате модуль напряженности результирующего поля уменьшается. Таким образом,

Ø вследствие поляризации диэлектрика электростатическое поле внутри диэлектрика уменьшается.

Величина, которая показывает, во сколько раз уменьшается электрическое поле внутри однородного диэлектрика, называется диэлектрической проницаемостью и обозначается ε.

В результате уменьшения электрического поля уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик, потому что их взаимодействие осуществляется посредством поля. Например, для зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона приобретает такого вида:

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Чем отличается пространство, окружающее заряженное тело, от пространства, что окружает незаряджене тело?

2. Какие главные признак и свойство электрического поля?

3. Как можно обнаружить электрическое поле в определенной точке?

4. Чем определяется густота силовых линий?

5. Как определяется направление линий напряженности поля?

6. Как можно защитить людей от вредного воздействия внешних электрических полей?

Второй уровень

1. Как изменится энергия электрического поля двух разноименных зарядов, если уменьшить расстояние между ними? увеличить расстояние между ними?

2. Могут ли силовые линии пересекаться?

3. Справедливым является утверждение, что свободные заряженные частицы движутся в электростатическом поле вдоль силовых линий этого поля?

4. За счет какой энергии происходит разделение электрических зарядов в процессе электростатической индукции?

5. Почему диэлектрик ослабляет электростатическое поле?

6. Почему диэлектрическая проницаемость различных веществ имеет разные значения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Передается ли действие заряженных тел друг на друга в безвоздушном пространстве?

2. Электрическое поле заряженного шара действует на заряженную пылинку, что находится вблизи его. Действует поле пылинки на шар?

3. По мере удаления от точечного заряда густота линий напряженности уменьшается. Что это означает?

2). Учимся решать задачи

1. На гладком деревянном столе размещены два заряженных шара. В начальный момент шары находятся в покое. Как будет изменяться энергия электрического поля, создаваемого зарядами шаров, если отпустить шары? Зависит ли ответ от того, заряды одного знака или противоположных имеют шара?

Решение

Под действием электрических сил обе шары начнут двигаться, т.е. их кинетическая энергия начнет увеличиваться. Итак, согласно закону сохранения энергии будет уменьшаться энергия электрического поля, создаваемого пулями. Это будет происходить как в том случае, когда шары заряжены одноименно - тогда они начнут отдаляться друг от друга вследствие отталкивания, так и в том случае, когда шары заряжены разноименно - тогда они будут приближаться друг к другу вследствие притяжения.

Ответ: энергия электрического поля в каждом случае будет уменьшаться.

2. Почему стрелка электрометра отклоняется, если к нему поднести заряженный предмет, не касаясь электрометра?

Указание. В результате разделения зарядов происходит под действием электрического поля, стрелка и нижняя часть стержня электрометра приобретают одноименных зарядов.

3. Маленький заряженный шарик вознесли до большого металлического листа. Покажите ориентировочный вид силовых линий электрического поля.

4. Два положительных заряда 0,2 и 1,8 мкКл закреплены на расстоянии 60 см друг от друга. Где надо поместить третий заряд, чтобы кулоновские силы, действующие на него, компенсировали друг друга? (Ответ: на расстоянии 15 см от меньшего заряда и 45 см - от большего.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Электрическое поле - это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами.

· Отношение силы , действующей со стороны электрического поля на точечный пробный заряд q, помещенный в данную точку поля, к этому заряду называется напряженностью электрического поля в этой точке:

· Принцип суперпозиции полей: напряженность электрического поля системы N зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

· Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называются силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля.

· Явление электростатической индукции заключается в том, что на концах проводника возникают разноименные заряды в равных количествах, а напряженность поля внутри проводника становится равной нулю.

Домашнее задание

1. Подр.: § 2.

2. 3б.:

Рів1 № 1.18; 1.19; 1.20;1.24.

Рів2 № 1.45; 1.46; 1.48, 1.51.

Рів3 № 1.58, 1.59; 1.61;1.68.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе № 1.