Elektrinis laukas

Praeitoje temoje išsiaiškinome, kaip įelektrintų kūnų sąveika priklauso nuo jų krūvio ir atstumo tarp jų. Tačiau kodėl vienas įelektrintas kūnas veikia kitą? Iš fizikos mokslo istorijos žinoma, kad įelektrintų kūnų sąveiką aiškina artiveikos ir toliveikos teorijos.

Toliveikos teorija teigia, kad bent kiek nutolę įelektrinti kūnai veikia vienas kitą tiesiogiai per tuštumą (1.3.1 pav.). Pavyzdžiui, tarp įelektrintų rutulių nėra tarpinės medžiagos (1.2.1 pav.). Vieno rutulio elektros krūvio poveikis kitam perduodamas akimirksniu bet kokiu atstumu per tuštumą.

Toliveikos teoriją paneigia artiveikos teorija. Remiantis ja, vieno įelektrinto kūno poveikį kitam perduoda tarpininkas (1.3.1 pav.). Pavyzdžiui, kalbančio žmogaus burna ir balso stygos tiesiogiai neveikia pašnekovo ausų. Tarp besikalbančių žmonių yra tarpinė terpė – oras, kuriuo sklinda garsas. Artiveikos teorija teigia, kad aplink kiekvieną elektros krūvį yra ypatinga, žmogaus pojūčiais nejuntama materija. Ji pavadinta elektriniu lauku. Remiantis artiveikos teorija, elektrinis laukas yra ta tarpinė grandis, kuria perduodama sąveika tarp elektros krūvių (1.3.1 pav.). Elektrinio lauko sąvoką apie 1834 metus pirmą kartą pavartojo anglų fizikas Maiklas Faradėjus (Michael Faraday, 1791–1867).

Artiveikos teorija teigia, kad vienas įelektrintas kūnas veikia kitą dėl elektrinio lauko, kurio negalima nei pamatyti, nei paliesti, nei užuosti. Apie elektrinį lauką galima spręsti tik iš jo poveikio. Elektrinis laukas – žmogaus pojūčiais nejuntama materija aplink įelektrintus kūnus. Jį galima sukurti tiek vakuume, tiek bet kurioje kitoje terpėje, pavyzdžiui, vandenyje, žėrutyje, pliene. Nejudančių elektros krūvių sukurtas laukas vadinamas elektrostatiniu lauku (toliau – elektriniu lauku). Elektrinio lauko savybes atskleidžia nesudėtingi fizikiniai bandymai.

1 savybė. Elektrinis laukas veikia jame esančius kitus elektros krūvius tam tikra jėga, vadinama elektrostatine jėga. Iš elektrostatinės jėgos sprendžiama apie elektrinį lauką ir jo erdvinį pasiskirstymą. Elektrinio lauko savybę veikti jame esančius įelektrintus kūnus patvirtina bandymai, aptarti 1.2 temoje. Būtent dėl elektrinio lauko įelektrinta ebonitinė lazdelė veikia folijos tūtelę (1.2.2 pav.), apatinė putų polistireno lėkštė veikia viršutinę lėkštę (1.2.4 pav.).

2 savybė. Elektrinis laukas yra stipriausias arti įelektrinto kūno. Tolstant nuo įelektrinto kūno elektrinis laukas silpnėja. Pavyzdžiui, kuo labiau priartiname ebonitinę lazdelę prie folijos tūtelės, tuo didesniu kampu nuo pradinės padėties atsilenkia siūlas, ant kurio pakabinta folijos tūtelė (1.3.2 pav.). Vadinasi, elektrinis laukas yra stipresnis prie ebonitinės lazdelės, o toliau nuo jos – silpnesnis. Įelektrinta folijos tūtelė taip pat turi elektrinį lauką, veikiantį ebonitinę lazdelę. Taigi, elektrostatinė sąveika yra abipusė.

Pamatyti elektrinį lauką be prietaisų neįmanoma, galima jį tik įsivaizduoti. Jau minėtas anglų fizikas M. Faradėjus pasiūlė elektrinį lauką vaizduoti elektrinio lauko jėgų (arba stiprio) linijomis. Jos padeda vaizdžiai perteikti elektrinio lauko erdvinį išsidėstymą.

Elektrinio lauko jėgų linijų išsidėstymą galima stebėti specialiu prietaisu – elektrostatiniu kutu (1.3.3 pav.). Įelektrinto prietaiso juostelių išdėstymas sutampa su elektrinio lauko jėgų linijomis.

Elektrinio lauko jėgų linijos išeina iš kūno, turinčio teigiamąjį krūvį (1.3.4 pav., a), ir sueina į kūną, turintį neigiamąjį krūvį (1.3.4 pav., b, c). Elektrinio lauko jėgų linijos negali kirstis.

Tarkime, kad elektrinį lauką sukuria teigiamasis elektros krūvis +q₀ (1.3.5 pav.). Šis laukas veikia taške A kitą mažą (taškinį) teigiamą elektros krūvį (+q) tam tikra jėga (1.3.5 pav.).

Kuo didesnis krūvis +q, tuo didesne jėga jį veikia krūvio +q₀ elektrinis laukas. Tačiau jėgos ir krūvio santykis išlieka pastovus. Jis priklauso tik nuo paties elektrinio lauko. Šis santykis vadinamas elektrinio lauko stipriu ir žymimas raide E. Elektrinio lauko stiprio skaitinė vertė yra lygi jėgos, kuria laukas veikia taškinį krūvį, ir to krūvio santykiui:

Kadangi jėga matuojama niutonais, o krūvis – kulonais, iš (1.2) formulės matyti, kad elektrinio lauko stiprio matavimo vienetas yra niutonas kulonui:

\left[E\right]=\frac{\mathrm{1\ N}}{\mathrm{1\ C}}=\mathrm{\mathrm{1\ N/C.}}

Žemė turi neigiamąjį maždaug 6 ⋅ 10⁵ C krūvį. Jo sukurto elektrinio lauko stipris Žemės paviršiuje lygus 130 N/C. Vadinasi, mes gyvename stipriame Žemės elektriniame lauke. Tolstant nuo Žemės paviršiaus elektrinis laukas labai greitai silpnėja ir 10 kilometrų aukštyje beveik išnyksta. Vandenilio atomo branduolio sukurto elektrinio lauko stipris elektrono orbitoje žymiai didesnis – 6 ⋅ 10¹¹ N/C. Primename, kad elektrono orbita nuo branduolio nutolusi 10^–8 cm atstumu.

Žinant elektrinio lauko stiprį konkrečiame elektrinio lauko taške galima apskaičiuoti jėgą, kuria šis laukas veikia įelektrintą kūną tame taške. Elektrinio lauko stipris turi kryptį (\vec{E})¹. Pagal ją galima nustatyti jėgos, veikiančios elektriniame lauke (1.3.5 pav.) esantį teigiamai įelektrintą kūną, kryptį.

• Elektrinio lauko stipris priklauso nuo įelektrinto kūno krūvio. Labiau įelektrintas kūnas savo aplinkoje sukuria stipresnį elektrinį lauką.
• Elektrinio lauko stipris priklauso ir nuo atstumo (r) iki krūvio (1.3.6 pav.). Labiau nuo krūvio nutolusiuose taškuose elektrinio lauko stipris yra mažesnis.

• Elektrinio lauko stipris priklauso nuo įelektrinto kūno formos. Pavyzdžiui, rutulio formos kūnui ir plokštelei suteikus tokį patį elektros krūvį, tuo pačiu atstumu nuo įelektrinto kūno elektrinio lauko stipris taškuose A ir B yra skirtingas (1.3.7 pav.).

Suprasti elektrinį lauką ir jo savybes gali padėti paprastas pavyzdys. Tarkime, šuo saugo kiemą, aptvertą tvora (1.3.8 pav.). Į kiemą per tvorą įšoka katinas. Šuo garsiu lojimu stengiasi išvyti įsibrovėlį iš kiemo. Palyginkime šią situaciją su elektrostatiniais reiškiniais. Šuniui priskirkime teigiamąjį krūvį. Jo saugomą kiemo erdvę tapatinkime su elektriniu lauku. Šuo stengiasi išvyti katiną iš saugomo lauko. Vadinasi, ir katinui turime priskirti teigiamąjį krūvį, nes vienavardžiais krūviais įelektrinti kūnai vienas kitą stumia (1.3.8 pav.). Skirtinguose kiemo taškuose katinui kyla nevienodas pavojus: arčiau šuns (taške B) didesnis, toliau (taške A) – mažesnis (1.3.8 pav.). Kuo šuo piktesnis (didesnis elektros krūvis), tuo didesnis pavojus katinui. Pavojaus lygį šioje situacijoje galime tapatinti su elektrinio lauko stipriu. Kad šuo būtų draugiškas katinui, jam turėtume priskirti neigiamąjį krūvį (priešingo ženklo krūviai vienas kitą traukia). Tuomet jis skatintų katiną priartėti.