Fizika 11 klasė

Fizika 11 klasė

11.3. Elektrinis laukas, jo stipris

Pamokos tikslai:

• Suprasti kas yra artiveika, toliveika,

• Išanalizuoti elektrinį lauką, elektrostatinį lauką,

• Suvokti vienalytį elektrinį lauką,

• Žinoti superpozicijos principą.

Pamokos uždaviniai:

• Gebėti palyginti artiveiką ir toliveiką,

• Mokėti apskaičiuoti elektrinio lauko stiprį,

• Gebėti apibendrinti elektrinį lauką

• Paaiškinti elektrinio lauko jėgų linijų kryptį.

Pamokos eiga:

• Susipažinsime su teorine medžiaga,

• Išspręsime keletą uždavinių,

• Atliksime interaktyvią užduotį,

• Reflektuosime.

Artiveika ir toliveika

Kulono dėsnis rodo, kaip įelektrintų kūnų sąveikos jėga priklauso nuo tų kūnų krūvio ir atstumo tarp jų, tačiau neatskleidžia paties sąveikos proceso, nepaaiškina, kaip vienas kūnas veikia kitą. Kūnų sąveiką nagrinėja dvi teorijos: artiveikos ir toliveikos. 

Artiveika ir toliveika

Toliveikos teorija teigia, kad įelektrinti kūnai jaučia vienas kitą be tarpinės aplinkos. Taigi šios teorijos esmę sudaro prielaida, kad nutolę vienas nuo kito kūnai sąveikauja betarpiškai per tuštumą. Poveikis perduodamas akimirksniu bet kokiu atstumu.

_{Artiveika ir toliveika}

_{Šią prielaidą paneigia artiveikos teorija. Anot jos, kūnų poveikį perduoda tarpinės grandys. Pavyzdžiui, pašnekovo burna ir balso stygos tiesiogiai neveikia kito pašnekovo ausų. Tarp pašnekovų yra tarpinė terpė - oras, kuriuo sklinda garsas. Artiveikos teorijos esmę sudaro prielaida, kad nutolę vienas nuo kito kūnai sąveikauja per tarpinę terpę, perduodančią sąveiką iš vieno taško į kitą.}

_{Artiveika ir toliveika}

Įelektrintų kūnų sąveiką artiveikos teorija aiškina tuo, kad aplink kiekvieną kūną yra elektrinis laukas. Būtent jis yra tarpinė grandis, kuria perduodama sąveika. Elektrinis laukas yra materialus, erdvėje nenutrūksta ir veikia kitus įelektrintus kūnus. 

Elektrinis laukas

Elektrinio lauko sąvoką apie 1834 m. pirmą kartą pavartojo anglų fizikas Maiklas Faradėjus. Jis iškėlė hipotezę, kad erdvėje aplink įelektrintus kūnus yra ypatingos formos materija. Šią žmogaus nejuntamą materiją Faradėjus pavadino elektriniu lauku.

Elektrinis laukas

Elektrinis laukas yra materialus, egzistuoja nepriklausomai nuo mūsų, nuo mūsų žinių apie jį. Elektrinį lauką galima aptikti bandymais. Nejudančių įelektrintų kūnų sukurtas laukas vadinamas elektrostatiniu.

Elektrinis laukas

Svarbiausia elektrinio lauko savybė yra ta, kad įelektrintus kūnus jis veikia tam tikra jėga . Pagal tą poveikį aptinkamas laukas ir nustatomas jo pasiskirstymas erdvėje. Tolstant nuo kūno, elektrinis laukas silpnėja . Jis gali būti sukurtas tiek vakuume , tiek bet kurioje kitoje terpėje: vandenyje, žėrutyje, pliene ir pan.

Elektrinis laukas

Elektrinį lauką apibūdina du pagrindiniai dydžiai: elektrinio laūko stipris ir potencialas. Aptarkime kiekvieną šių dydžių. 

Elektrinio lauko stipris

Sakykime , elektrinį lauką erdvėje sukuria taškinio kūno elektros krūvis +q. Šį lauką konkrečiame erdvės taške galima apibūdinti jėga, kuria laukas veikia tame taške esantį kitą taškinį kūną. Dviejų įelektrintų kūnų sąveikos jėga:

Elektrinio lauko stipris

Iš formulės matyti, kad ši jėga priklauso ne tik nuo krūvio +q, bet ir nuo patekusio į lauką kūno krūvio +q, todėl ja apibūdinti krūvio +q sukurtą elektrinį lauką nėra tikslinga. Kulono jėgos ir į lauką įnešto kūno krūvio +q santykis nepriklauso nuo įnešto taškinio kūno krūvio .

Elektrinio lauko stipris

Šis santykis yra elektrinio lauko charakteristika, vadinama elektrinio lauko stipriu ir žymima raide E . Elektrinio lauko stipris yra fizikinis dydis, lygus jėgos, kuria laukas veikia taškinį kūną, ir to kūno krūvio santykiui:

Elektrinio lauko stipris

Elektrinio lauko stipris yra jėginė lauko charakteristika. Kaip ir jėga, jis yra vektorinis dydis. Žinodami elektrinio lauko stiprį konkrečiame erdvės taške, galime rasti jėgą, kuria šis laukas veiks tame taške esantį įelektrintą kūną. 

Elektrinio lauko stipris

Elektrinio lauko stiprio vektorius E bet kuriame elektrinio lauko taške nukreiptas tiese, kuri jungia nagrinėjamą lauko tašką ir kūną. Jei q > 0, elektrinio lauko stiprio vektorius nukreiptas nuo įelektrinto kūno, jei q < 0 - į kūną.

Elektrinio lauko jėgų linijos 

Elektrinį lauką galima pavaizduoti elektrinio lauko jėgų, arba stiprio, linijomis. Elektrinio lauko jėgų linijos sąvoką pirmasis pavartojo taip pat Maiklas Faradėjus.

Elektrinio lauko jėgų linijos 

Nenutrūkstamos linijos, kurių liestinės kiekviename taške sutampa su elektrinio lauko stiprio vektoriumi, vadinamos to lauko jėgų linijomis.

Elektrinio lauko jėgų linijos 

Elektrinio lauko jėgų linijos prasideda teigiamąjį krūvį turinčiuose kūnuose ir baigiasi neigiamąjį krūvį turinčiuose kūnuose arba nueina į begalybę. Jos nėra uždaros, nenutrūksta ir nesikerta.

Elektrinio lauko jėgų linijos 

Jų sankirta reikštų, kad tame taške elektrinio lauko stiprio kryptis neapibrėžta. Elektrinio lauko jėgų linijos padeda vaizdžiai perteikti elektrinio lauko išsidėstymą erdvėje, tačiau jos nėra realiai egzistuojantys dariniai.

Atliekant bandymus, elektrinio lauko jėgų linijas galima padaryti „matomas". Reikia pailgus kristalėlius (pavyzdžiui, chinino) išmaišyti klampiame skystyje (kaip antai aliejuje) ir į jį įdėti įelektrintus kūnus. Kristalėliai išsidėstys išilgai elektrinio lauko jėgų linijų

Linijų tankis rodys elektrinio lauko stiprį. Kuo tankiau išsidėstys elektrinio lauko jėgų linijos, tuo stipresnis laukas bus tose erdvės dalyse. Tarp lygiagrečių plokštelių elektrinio lauko jėgų linijos išsidėsto lygiagrečiai, vienodais atstumais viena nuo kitos.

Tai rodo, kad elektrinio lauko stipris visuose taškuose yra vienodas. Elektrinis laukas, kurio stipris visuose erdvės taškuose yra vienodas, vadinamas vienalyčiu. Kai lauko stipris ribotoje erdvės dalyje mažai kinta, elektrinį lauką joje galima laikyti vienalyčiu.

Elektrinių laukų superpozicijos principas 

Jei tiriamajame erdvės taške skirtingi įelektrinti kūnai sukuria elektrinius laukus, kurių stipris E1, E2, E3 ir t. t., tai atstojamojo elektrinio lauko stipris E lygus visų elektrinių laukų stiprių geometrinei sumai.

Elektrinių laukų superpozicijos principas 

Taigi elektriniams laukams būdingas superpozicijos principas. Sprendžiant uždavinius, tiriamajame erdvės taške pakanka pavaizduoti po vieną skirtingų krūvių sukurto elektrinio lauko jėgų liniją.

Simuliacija

https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html

Uždavinys:

• Elektrinio lauko stipris taške A nukreiptas į šiaurę, o jo modulis lygus 4 • IO5 N/C. Apskaičiuokite jėgą, kuria taške A elektrinis laukas veiks elektroną?

Sprendimas: