Warto przeczytać

Oddziaływanie elektrostatyczne między spoczywającymi ciałami naładowanymi można opisać za pomocą prawa Coulombaprawo Coulombaprawa Coulomba. Opis taki będzie opisem kompletnym – z jego pomocą można wyjaśnić każdy aspekt oddziaływania elektrostatycznego między badanymi ciałami (Rys. 1.). Jednakże w wielu sytuacjach stosowanie bezpośrednio prawa Coulomba jest kłopotliwe. Istnieją zjawiska, które łatwiej opisywać i analizować, używając pojęcia pola elektrycznego.

RTdy2KJidHEl4
Rys. 1. Przyciąganie elektrostatyczne ciał punktowych naładowanych różnoimiennie. Zgodnie z III zasadą dynamiki, siła, z jaką ładunek Q oddziałuje na ładunek q jest przeciwna do siły, z jaką ładunek q oddziałuje na ładunek Q. Kierunki tych sił pokrywają się z odcinkiem łączącym punkty położenia ładunków.

Wyobraźmy sobie, że mamy układ ciał naładowanych. Mogą to być, na przykład, rozmieszczone w szkolnej pracowni naładowane metalowe kulki lub naładowane balony. Gdy w pobliżu takiego układu umieścimy małą naładowaną kulkę zawieszoną na izolującej nici, „odczuje” ona obecność innych ładunków – będzie przez nie odpychana albo przyciągana przez wypadkową siłę elektrostatyczną (o ile jest ona niezerowa), zgodnie z prawem Coulombaprawo Coulombaprawem Coulomba. Można sobie wyobrażać, że w przestrzeni wokół układu ładunków istnieje „coś”, co działa na umieszczoną tam kulkę. O układzie ładunków, który jest przyczyną występowania siły elektrostatycznej, mówimy, że wytwarza pole elektryczne. Pole elektryczne to cecha przestrzeni sprawiająca, że występują w niej oddziaływania elektryczne.

Pojęcie pola jest pojęciem bardzo abstrakcyjnym. O tym, czy w danym miejscu jest pole, czy go nie ma, możemy przekonać się jedynie wtedy, gdy umieścimy tam ładunek próbny i zobaczymy, co się z nim stanie. Jeśli dozna oddziaływania elektrycznego, będzie to oznaczać, że istnieje tam niezerowe pole elektryczne. O polu elektrycznym myślimy jednak jako o czymś, co istnieje w przestrzeni niezależnie od tego, czy rzeczywiście jest tam jakiś ładunek, na który to pole może działać, czy nie. Mimo swej „abstrakcyjności”, pole elektryczne okazuje się pojęciem niezwykle użytecznym i ułatwiającym analizowanie zjawisk, a nawet bardziej „rzeczywistym”, niż to się wydaje na pierwszy rzut oka.

Wielkością charakteryzującą pole jest natężenie pola elektrycznego. Ponieważ pole elektryczne jest polem oddziaływań, wielkość ta jest zdefiniowana poprzez siłę. Dla danego pola wektor natężenia ma - w ogólności - różną wartość i kierunek w różnych jego punktach. Natężenie określa, jak duża siła działa na dodatni ładunek jednostkowy umieszczony w tych punktach. Im natężenie pola jest większe (mówi się też, że pole jest silniejsze), tym większa będzie ta siła. Zależność ta jest wprost proporcjonalna, kierunki siły i natężenia są jednakowe, a zgodność zwrotów zależy od znaku ładunku umieszczonego w tym polu (Rys. 2a. i 2b.).

R13WFdn2m3r1I
Rys. 2a. Układ z Rys. 1. Rolę źródła pola elektrycznego pełni ładunek Q. Siły działającej na Q nie zaznaczono. Siła działająca na ujemny ładunek q zwrócona jest przeciwnie do wektora natężenia pola.
R1GtUmfS2iPGf
Rys. 2b. Układ z Rys. 1. z ładunkami jednoimiennymi (dodatnimi). Rolę źródła pola elektrycznego pełni ładunek Q. Siły działającej na Q nie zaznaczono. Siła działająca na ładunek dodatni q zwrócona jest zgodnie z wektorem natężenia pola.

Zwróć uwagę na użyte powyżej określenie: „dodatni ładunek jednostkowy”. Dodatni ładunek, który umieszczamy w przestrzeni, aby stwierdzić istnienie albo brak pola elektrycznego i zbadać jego własności, nazywamy ładunkiem próbnym. Czasem umieszczenie gdzieś ładunku próbnego jest jedynie eksperymentem myślowym. Mimo to, ładunek próbny to pojęcie bardzo potrzebne. Po prostu dużo łatwiej wyobrażać sobie pole elektryczne, gdy myślimy o ładunku, na który ono działa. Należy pamiętać, że ładunek próbny jest – zgodnie z przyjętą konwencją – ładunkiem dodatnim. Zakładamy też, że jest on na tyle mały, że nie wpływa na rozkład ładunków – źródeł pola.

Nawet pojedynczy ładunek punktowyładunek punktowyładunek punktowy wytwarza pole elektryczne, co nie jest niespodzianką, jeśli przypomnimy sobie prawo Coulomba - gdy w jego pobliżu umieścimy ładunek próbny, będzie on odpychany lub przyciągany, zależnie od znaku ładunku będącego źródłem pola. Ponieważ ładunek próbny jest ładunkiem dodatnim, odpychanie wystąpi, gdy źródłem pola będzie ładunek dodatni, przyciąganie zaś - gdy ujemny. Oddziaływanie jest silniejsze w pobliżu źródła i słabnie ze wzrostem odległości. Jak daleko „sięga” pole wytwarzane przez ładunek punktowyładunek punktowyładunek punktowy? Teoretycznie rozciąga się ono w nieskończoność. W praktyce przyjmujemy, że pole występuje tam, gdzie siły z nim związane mają istotny wpływ na obiekty, które badamy w danej sytuacji.

Dla zainteresowanych

Natężenie pola elektrostatycznego oznacza się zwykle przez E. Związek siły (działającej na ładunek próbny q) z natężeniem ma postać

F=qE.

Biorąc układ współrzędnych związany z ładunkiem punktowym Q siłę działającą na q wyrażamy z pomocą prawa Coulomba:

F=kqQ|r|3r,

wobec tego natężenie wynosi

E=kQ|r|3r.

Uwaga: jeśli źródłem pola jest układ ładunków, np. skończona liczba ładunków punktowych albo naładowany obiekt rozciągły, pole może być niezerowe mimo tego, że całkowity ładunek układu wynosi zero.

Słowniczek

ładunek punktowy
ładunek punktowy

(ang.: point charge) - punkt materialny obdarzony ładunkiem elektrycznym. Teoretycznie ładunek punktowy ma nieskończenie małe rozmiary. Jako ładunki punktowe możemy traktować ciała naładowane, których rozmiary są bardzo małe w porównaniu z ich odległością do innych ciał i rozmiarami tych ciał.

prawo Coulomba
prawo Coulomba

(ang.: Coulomb's law) - Wartość siły wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest proporcjonalna do iloczynu ładunków, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

F=k|q1|·|q2|r2

gdzie k=9·109Nm2C2 oznacza stałą elektrostatyczną, a r jest odległością między ładunkami q1q2.