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. Rysunek przedstawia dwa ciała punktowe o różnych ładunkach. Z lewej strony znajduje się ładunek oznaczony literą wielkie Q. Obok zapisano nierówność wielkie Q jest większe od zera. Z prawej strony znajduje się ładunek oznaczony literą małe q. Obok zapisano nierówność małe q jest mniejsze od zera. Ładunki połączono przerywanym odcinkiem. Do pierwszego ładunku, znajdującego się z lewej strony, przyłożony jest wektor siły oznaczony jako minus litera wielkie F ze strzałką nad nią. Wektor skierowany jest w prawo w stronę drugiego ładunku. Do drugiego ładunku, znajdującego się z prawej strony, przyłożony jest wektor siły oznaczony literą wielkie F ze strzałką nad nią. Wektor skierowany jest w lewo w kierunku pierwszego ładunku.

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. Na rysunku narysowany jest ładunek dodatni duże Q w postaci małego czerwonego kółeczka. Linie pola elektrycznego, które on wytwarza, są liniami prostymi rozchodzącymi się od niego promieniście. Ich zwrot jest od ładunku. W tym polu umieszczony jest ładunek ujemny małe q zaznaczony niebieskim kółeczkiem. Do ładunku małe q przyłożone są dwa wektory o kierunku zgodnym z kierunkiem linii pola elektrycznego. Wektor siły działającej na ładunek małe q zwrócony jest w stronę ładunku dodatniego. Wektor natężenia pola zwrócony jest w przeciwną stronę. Obok zapisano równanie: wektor siły wielkie F ze strzałką u góry równy jest iloczynowi wartości ładunku q i wektora natężenia pola wielkie E ze strzałką u góry.

R1GtUmfS2iPGf

Rys. 2b. Rysunek wygląda podobnie, bo źródłem pola elektrycznego jest ten sam ładunek dodatni wielkie Q. Różnica polega na tym, że w polu, które on wytworzył, znajduje się ładunek dodatni małe q. Do ładunku małe q przyłożone są dwa wektory o kierunku zgodnym z kierunkiem linii pola elektrycznego i jednakowym zwrocie od ładunku dodatniego. Są to: wektor siły wielkie F ze strzałką u góry działającej na ładunek małe q i wektor natężenia pola wielkie E ze strzałką u góry.

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.

Słowniczek