Pole elektryczne. Zasada zachowania ładunku

około 12 minut

W tej lekcji1/16

Potrzyj plastikowy grzebień o sweter i zbliż go powoli do włosów. Zanim go dotkniesz, włosy same zaczną się do niego unosić. Nic ich nie ciągnie za sobą, nic ich nie popycha — a jednak coś na nie działa. To coś wypełnia przestrzeń wokół naelektryzowanego grzebienia i nazywa się polem elektrycznym.

Pole elektryczne — ładunek zmienia przestrzeń wokół siebie

Wiesz już, że ładunki jednoimienne się odpychają, a różnoimienne przyciągają. Ale jak jeden ładunek dowiaduje się, że drugi jest obok, skoro nic ich nie łączy?

Trzy cechy pola elektrycznego

1
Samotny ładunek ujemny — pole i tak jest
Pole istnieje wokół każdego ładunku, nawet gdy nie ma w pobliżu nic, na co mogłoby zadziałać.
2
Dwa ładunki działają na siebie przez pustą przestrzeń
Działa bez dotyku, na odległość — między grzebieniem a włosem może być powietrze albo nawet próżnia.
3
Jest niewidzialne. Poznajemy je wyłącznie po skutkach, czyli po sile, jaka działa na wniesiony ładunek.

Wszystkie kroki za Tobą!

Elektryczny bliźniak pola grawitacyjnego

Znasz już coś, co zachowuje się dokładnie tak samo: pole grawitacyjne. Ziemia nie dotyka spadającego jabłka, a mimo to ciągnie je w dół, bo wokół niej rozciąga się obszar, w którym na każdą masę działa siła ciężkości. Pole elektryczne jest jego elektrycznym bliźniakiem — z jedną różnicą: grawitacja tylko przyciąga, a pole elektryczne potrafi i przyciągać, i odpychać.

Ładunek próbny — narzędzie do badania pola

Żeby zbadać pole, używamy ładunku próbnego: maleńkiego ładunku dodatniego, który wnosimy w wybrane miejsce i patrzymy, w którą stronę i jak mocno jest popychany.

Linie pola — sposób na narysowanie czegoś niewidzialnego

Skoro pola nie widać, fizycy wymyślili sposób na jego narysowanie. W wielu punktach zaznaczamy strzałkę pokazującą, w którą stronę pole popycha ładunek próbny, a potem łączymy te strzałki w gładkie krzywe. Tak powstają linie pola.

Obowiązują trzy proste zasady, które przećwiczymy na rysunku obok.

Linie pola wokół ładunku dodatniego

Trzy zasady czytania linii pola

1
Z dodatniego wychodzą, do ujemnego wchodzą
Linie wychodzą z ładunku dodatniego i wchodzą do ujemnego. Łatwo to zapamiętać: dodatni odpycha ładunek próbny od siebie, ujemny go do siebie przyciąga.
2
Strzałka na linii pokazuje kierunek siły działającej na ładunek dodatni. Na ładunek ujemny siła działa dokładnie odwrotnie.
3
Gęste linie blisko, rzadkie daleko
Im gęściej upakowane linie, tym silniejsze pole. Blisko ładunku linie tłoczą się i siła jest duża, daleko rozchodzą się szeroko i siła słabnie.
4
Dlatego rysunek pola od razu mówi dwie rzeczy naraz: dokąd ładunek poleci i jak mocno zostanie popchnięty.

Wszystkie kroki za Tobą!

Jak zbadać pole wokół naelektryzowanej kulki

1
Naelektryzowana kulka na stojaku
Na izolacyjnym stojaku wisi metalowa kulka naładowana dodatnio. Wokół niej rozciąga się pole elektryczne, ale na razie nie wiemy o nim najważniejszego: w którą stronę popycha ładunek.
2
Wnosisz w pobliże ładunek próbny — malutką dodatnią kuleczkę na nitce. Nitka natychmiast odchyla się od kulki: ładunki jednoimienne się odpychają.
$q_{\text{probny}} > 0$
3
Zapisujesz wynik jako strzałkę: początek w miejscu badania, grot skierowany od kulki. To kierunek siły w tym konkretnym punkcie.
4
Odsuwasz ładunek próbny dwa razy dalej. Odchylenie nitki wyraźnie maleje — siła staje się aż cztery razy mniejsza. Pole nie znika, tylko słabnie z odległością.
$r \rightarrow 2r \quad \Rightarrow \quad F \rightarrow \frac{F}{4}$
5
Strzałki z wielu punktów układają się w linie pola
Powtarzasz pomiar w kilkudziesięciu punktach dookoła i łączysz strzałki w krzywe. Wychodzi gwiazda linii rozchodzących się promieniście na wszystkie strony od kulki.
Wskazówka
Gdyby kulka była naładowana ujemnie, rysunek byłby ten sam — tylko wszystkie groty wskazywałyby do środka.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Popatrz na punkty A i B na mapie pola. W którym z nich na ten sam ładunek próbny zadziała większa siła?

Mapa pola z zaznaczonymi punktami

Pułapka! Linie pola nie są nitkami ani torami wyścigowymi

To najczęstsze nieporozumienie w całej elektrostatyce. Uczniowie oglądają w podręczniku rysunki linii pola i wyobrażają sobie, że wokół ładunku naprawdę rozpięte są cienkie nitki albo szyny, po których coś jedzie. Otóż nie.

Między narysowanymi liniami też jest pole

2. Między narysowanymi liniami też jest pole. Linii można narysować pięć albo pięćset — to kwestia czytelności rysunku, a nie własność przyrody. Pole wypełnia całą przestrzeń, w każdym punkcie bez wyjątku.

Pułapka! Linia pola to nie tor ruchu

3. Linia pola to nie tor ruchu. Strzałka mówi tylko, w którą stronę działa siła w tym miejscu. Ładunek puszczony bez prędkości początkowej faktycznie ruszy wzdłuż linii, ale ładunek, który już leci w bok, poszybuje po zakrzywionym torze — zupełnie jak piłka rzucona poziomo, na którą siła ciężkości działa w dół, a mimo to piłka nie spada pionowo.

Linie pola nigdy się nie przecinają

4. Linie pola nigdy się nie przecinają. Gdyby się przecięły, w punkcie skrzyżowania siła musiałaby działać jednocześnie w dwie różne strony, a to niemożliwe.

Dzielenie się ładunkiem — pole słabnie, ale ładunek nie ginie

1
Jedna metalowa kulka na izolacyjnym stojaku ma ładunek 8 nC (nanokulomb to miliardowa część kulomba). Wokół niej rozciąga się pole — blisko powierzchni linie są gęste, więc pole jest silne.
$q_1 = 8\ \text{nC},\quad q_2 = 0\ \text{nC}$
2
Zbliżasz do niej drugą, dokładnie taką samą kulkę, na razie obojętną, i pozwalasz im się dotknąć. Metal to przewodnik, więc swobodne elektrony natychmiast przechodzą z jednej kulki na drugą.
3
Kulki są identyczne, więc ładunek rozkłada się po równo. Każda ma teraz po 4 nC — i każda ma wokół siebie własne pole, ale słabsze niż pole początkowe. Dwa razy mniejszy ładunek daje w tej samej odległości dwa razy mniejszą siłę.
$q_1 = q_2 = 4\ \text{nC}$
4
8 nC
4 nC
4 nC
Sprawdź sumę: przed dotknięciem było 8 nC, po dotknięciu jest 4 nC plus 4 nC, czyli znowu 8 nC. Ładunek nie powstał i nie zniknął — tylko się rozdzielił. To zasada zachowania ładunku.
$q_{\text{przed}} = q_{\text{po}} = 8\ \text{nC}$
Wskazówka
W układzie odizolowanym od otoczenia suma ładunków jest zawsze taka sama. Ładunek można przesuwać i dzielić, ale nigdy wyprodukować z niczego.

Wszystkie kroki za Tobą!

Twoja kolej

Strzałki na liniach pola wokół tej kulki są skierowane od niej na zewnątrz. W którą stronę pole popchnie ładunek ujemny wniesiony w punkt A?

Linie pola z zaznaczonym punktem A

Ściąga do zapamiętania

Czym jest pole elektryczne i co naprawdę pokazują jego linie?

Pole elektryczne to obszar wokół naelektryzowanego ciała, w którym na inny ładunek działa siła elektryczna — bez dotyku, na odległość. Badamy je dodatnim ładunkiem próbnym, $q_{\text{probny}} > 0$ .
• Działa jak pole grawitacyjne, z tą różnicą, że pole elektryczne potrafi także odpychać.
• Linie pola wychodzą z ładunku dodatniego i wchodzą do ujemnego; strzałka pokazuje kierunek siły działającej na ładunek dodatni.
• Im gęściej linie, tym silniejsze pole. Blisko ładunku jest najsilniejsze i szybko słabnie: $r \rightarrow 2r$ daje $F \rightarrow \frac{F}{4}$ .
• Pułapka: linie to umowny rysunek, nie nitki ani tory ruchu — i nigdy się nie przecinają.
• Zasada zachowania ładunku: w układzie odizolowanym suma ładunków jest stała. Dwie identyczne kulki, $q_1 = 8\ \text{nC}$ i $q_2 = 0\ \text{nC}$ , po zetknięciu mają po $4\ \text{nC}$ .

Sprawdź się!

Czym jest pole elektryczne?

W którą stronę biegną linie pola elektrycznego?

W jednym miejscu pola linie są gęsto upakowane, a w innym rzadkie. O czym to świadczy?

Dwa punkty tej samej mapy pola

Które zdanie o liniach pola jest prawdziwe?

Pole dwóch ładunków

Metalowa kulka o ładunku 10 nC dotyka drugiej, identycznej, obojętnej kulki. Jakie ładunki mają po rozsunięciu?

Następny temat

Prąd elektryczny. Obwód i jego schemat