Charakterystyka pola elektrycznego

W artykule opisano główne charakterystyki pola elektrycznego: potencjał, napięcie i natężenie.

Co to jest pole elektryczne

Aby wytworzyć pole elektryczne, konieczne jest wytworzenie ładunku elektrycznego. Właściwości przestrzeni wokół ładunków (naładowanych ciał) różnią się od właściwości przestrzeni, w której nie ma ładunków. Jednocześnie właściwości przestrzeni, gdy wprowadza się do niej ładunek elektryczny, nie zmieniają się natychmiast: zmiana zaczyna się od ładunku i rozprzestrzenia się z określoną prędkością z jednego punktu w przestrzeni do drugiego.

W przestrzeni zawierającej ładunek manifestują się siły mechaniczne działające na inne ładunki wprowadzone do tej przestrzeni. Siły te nie są wynikiem bezpośredniego działania jednego ładunku na drugi, ale działania za pośrednictwem jakościowo zmienionego ośrodka.

Przestrzeń wokół ładunków elektrycznych, w której manifestują się siły działające na wprowadzone do niej ładunki elektryczne, nazywana jest polem elektrycznym.

Ładunek w polu elektrycznym porusza się w kierunku siły działającej na niego od strony pola.Stan spoczynku takiego ładunku jest możliwy tylko wtedy, gdy na ładunek działa jakaś siła zewnętrzna (zewnętrzna), która równoważy siłę pola elektrycznego.

Gdy tylko równowaga między siłą zewnętrzną a natężeniem pola zostanie zakłócona, ładunek zaczyna się ponownie poruszać. Kierunek jego ruchu zawsze pokrywa się z kierunkiem większej siły.

Dla jasności pole elektryczne jest zwykle reprezentowane przez tak zwane linie pola elektrycznego. Linie te pokrywają się z kierunkiem sił działających w polu elektrycznym. Jednocześnie zdecydowano się na narysowanie takiej liczby linii, aby ich liczba na każdy 1 cm2 powierzchni ułożonej prostopadle do linii była proporcjonalna do natężenia pola w odpowiednim punkcie.

Za kierunek pola zwykle przyjmuje się kierunek natężenia pola działającego na ładunek dodatni umieszczony w danym polu. Ładunki dodatnie są odpychane przez ładunki dodatnie i przyciągane przez ładunki ujemne. Dlatego pole jest kierowane od ładunków dodatnich do ujemnych.

Kierunek linii sił jest wskazany na rysunkach strzałkami. Nauka udowodniła, że ​​linie sił pola elektrycznego mają początek i koniec, to znaczy same się nie zamykają. Na podstawie przyjętego kierunku pola stwierdzamy, że linie sił zaczynają się od ładunków dodatnich (ciała naładowane dodatnio), a kończą na ładunkach ujemnych.

Ryż. 1. Przykłady obrazu pola elektrycznego za pomocą linii sił: a — pole elektryczne o pojedynczym ładunku dodatnim, b — pole elektryczne o pojedynczym ładunku ujemnym, c — pole elektryczne o dwóch przeciwnych ładunkach, d — pole elektryczne dwóch podobnych ładunków

na ryc.1 pokazuje przykłady pola elektrycznego przedstawionego za pomocą linii sił. Należy pamiętać, że linie pola elektrycznego są jedynie sposobem graficznego przedstawienia pola. Nie ma tu większej treści dla koncepcji linii sił.

prawo Coulomba

Siła oddziaływania między dwoma ładunkami zależy od wielkości i wzajemnego ułożenia ładunków, a także od właściwości fizycznych ich otoczenia.

Dla dwóch naelektryzowanych ciał fizycznych, których wymiary są nieistotne w porównaniu z odległością między ciałami, uzdrowienie oddziaływania określa się matematycznie w następujący sposób:

gdzie F to siła oddziaływania ładunków w niutonach (N), k — odległość między ładunkami w metrach (m), Q1 i Q2 — wielkość ładunków elektrycznych w kulombach (k), k to współczynnik proporcjonalności, którego wartość zależy od właściwości ośrodka otaczającego ładunki.

Powyższy wzór brzmi następująco: siła oddziaływania dwóch ładunków punktowych jest wprost proporcjonalna do iloczynu wartości tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi (prawo Coulomba).

Aby wyznaczyć współczynnik proporcjonalności k, użyj wyrażenia k = 1 /(4πεεО).

Potencjał pola elektrycznego

Pole elektryczne zawsze nadaje ruch ładunkowi, jeśli siły pola działające na ładunek nie są zrównoważone przez żadne siły zewnętrzne. Oznacza to, że pole elektryczne ma energię potencjalną, czyli zdolność do wykonywania pracy.

Przenosząc ładunek z jednego punktu w przestrzeń do drugiego, pole elektryczne działa, w wyniku czego zmniejsza się dopływ energii potencjalnej do pola.Jeśli ładunek porusza się w polu elektrycznym pod działaniem jakiejś siły zewnętrznej działającej przeciwnie do sił pola, to praca jest wykonywana nie przez siły pola elektrycznego, ale przez siły zewnętrzne. W tym przypadku energia potencjalna pola nie tylko nie maleje, ale wręcz przeciwnie, wzrasta.

Praca wykonana przez siłę zewnętrzną poruszającą ładunek w polu elektrycznym jest proporcjonalna do wielkości sił pola przeciwnych temu ruchowi. Praca wykonywana w tym przypadku przez siły zewnętrzne jest w całości wydatkowana na zwiększenie energii potencjalnej pola. Aby scharakteryzować pole od strony jego energii potencjalnej, nazywa się wielkość zwaną potencjałem pola elektrycznego.

Istota tej wielkości jest następująca. Załóżmy, że ładunek dodatni znajduje się poza rozważanym polem elektrycznym. Oznacza to, że pole praktycznie nie ma wpływu na dany ładunek. Niech siła zewnętrzna wprowadzi ten ładunek do pola elektrycznego i pokonując opór ruchu wywierany przez siły pola, przeniesie ładunek do zadanego punktu pola. Praca wykonana przez siłę, a więc wielkość, o jaką wzrosła energia potencjalna pola, zależy całkowicie od właściwości pola. Dlatego praca ta może charakteryzować energię danego pola elektrycznego.

Energia pola elektrycznego związana z jednostką ładunku dodatniego umieszczonego w danym punkcie pola nazywana jest potencjałem pola w danym punkcie.

Jeżeli potencjał oznaczymy literą φ, ładunek literą q, a pracę włożoną w przesunięcie ładunku o W, to potencjał pola w danym punkcie będzie wyrażony wzorem φ = W/q.

Wynika z tego, że potencjał pola elektrycznego w danym punkcie jest liczbowo równy pracy wykonanej przez siłę zewnętrzną, gdy jednostkowy ładunek dodatni przemieszcza się z pola w kierunku danego punktu. Potencjał pola mierzony jest w woltach (V). Jeżeli podczas przesyłania jednego kulomba energii elektrycznej poza pole do danego punktu siły zewnętrzne wykonały pracę równą jednemu dżulowi, to potencjał w danym punkcie pola jest równy jednemu woltowi: 1 wolt = 1 dżul / 1 kulomb

Natężenie pola elektrycznego

W dowolnym polu elektrycznym ładunki dodatnie przemieszczają się z punktów o wyższym potencjale do punktów o niższym potencjale. Wręcz przeciwnie, ładunki ujemne przemieszczają się z punktów o niższym potencjale do punktów o wyższym potencjale. W obu przypadkach praca jest wykonywana kosztem energii potencjalnej pola elektrycznego.

Znając tę ​​pracę, czyli wartość, o jaką zmniejszyła się energia potencjalna pola, gdy ładunek dodatni q przemieszcza się z punktu 1 pola do punktu 2, to łatwo jest znaleźć napięcie między tymi punktami pole U1,2:

U1,2 = A / q,

gdzie A jest pracą wykonaną przez siły pola, gdy ładunek q jest przenoszony z punktu 1 do punktu 2. Napięcie między dwoma punktami pola elektrycznego jest liczbowo równe pracy wykonanej przez zero przy przenoszeniu jednostkowego ładunku dodatniego z jednego punktu w polu do innego.

Jak widać, napięcie między dwoma punktami pola i różnica potencjałów między tymi samymi punktami reprezentują tę samą jednostkę fizyczną… Dlatego terminy napięcie i różnica potencjałów są takie same. Napięcie jest mierzone w woltach (V).

Napięcie między dwoma punktami jest równe jednemu woltowi, jeśli podczas przenoszenia jednego kulomba energii elektrycznej z jednego punktu pola do drugiego siły pola działają równe jednemu dżulowi: 1 wolt = 1 dżul / 1 kulomb

Natężenie pola elektrycznego

Z prawa Coulomba wynika, że ​​natężenie pola elektrycznego danego ładunku działającego na inny ładunek umieszczony w tym polu nie jest jednakowe we wszystkich punktach pola. Pole elektryczne w dowolnym punkcie można scharakteryzować wielkością siły, z jaką działa ono na jednostkowy ładunek dodatni umieszczony w danym punkcie.

Znając tę ​​wartość, można wyznaczyć siłę F działającą na każdy ładunek Q. Można napisać, że F = Q x E, gdzie F jest siłą działającą na ładunek Q umieszczony w punkcie pola elektrycznego, E jest siła działająca na jednostkowy ładunek dodatni umieszczony w tym samym punkcie pola. Wielkość E liczbowo równa sile działającej na jednostkowy ładunek dodatni w danym punkcie pola nazywana jest natężeniem pola elektrycznego.