Elektriske feltegenskaper
Artikkelen beskriver hovedkarakteristikkene til det elektriske feltet: potensial, spenning og intensitet.
Hva er et elektrisk felt
For å skape et elektrisk felt, er det nødvendig å lage en elektrisk ladning. Egenskapene til rommet rundt ladningene (ladede legemer) skiller seg fra egenskapene til rommet der det ikke er ladninger. Samtidig endres ikke egenskapene til rommet, når en elektrisk ladning blir introdusert i det, umiddelbart: Endringen starter fra ladningen og sprer seg med en viss hastighet fra ett punkt i rommet til et annet.
I et rom som inneholder en ladning, manifesteres mekaniske krefter som virker på andre ladninger introdusert i det rommet. Disse kreftene er ikke et resultat av den direkte virkningen av en ladning på en annen, men av virkningen gjennom et kvalitativt endret medium.
Rommet rundt elektriske ladninger, der kreftene som virker på de elektriske ladningene som er introdusert i det manifesteres, kalles et elektrisk felt.
En ladning i et elektrisk felt beveger seg i retning av kraften som virker på den fra siden av feltet.Hviletilstanden til en slik ladning er bare mulig når en ekstern (ytre) kraft påføres ladningen som balanserer styrken til det elektriske feltet.
Så snart balansen mellom den ytre kraften og feltstyrken er forstyrret, begynner ladningen å bevege seg igjen. Bevegelsesretningen faller alltid sammen med retningen til den større kraften.
For klarhetens skyld er det elektriske feltet vanligvis representert ved såkalte elektriske feltlinjer. Disse linjene faller sammen med retningen til kreftene som virker i det elektriske feltet. Samtidig ble det avtalt å tegne så mange linjer at antallet for hver 1 cm2 av arealet installert vinkelrett på linjene var proporsjonalt med feltets styrke på det tilsvarende punktet.
Feltretningen tas vanligvis for å være retningen til feltstyrken som virker på en positiv ladning plassert i et gitt felt. Positive ladninger frastøtes av positive ladninger og tiltrekkes av negative ladninger. Derfor er feltet rettet fra positive til negative ladninger.
Retningen til kraftlinjene er angitt på tegningene med piler. Vitenskapen har bevist at kraftlinjene til et elektrisk felt har en begynnelse og en slutt, det vil si at de ikke er lukket av seg selv. Basert på feltets antatte retning finner vi at kraftlinjene starter med positive ladninger (positivt ladede legemer) og slutter med negative.
Ris. 1. Eksempler på et bilde av et elektrisk felt som bruker kraftlinjer: a — et elektrisk felt med en enkelt positiv ladning, b — et elektrisk felt med en enkelt negativ ladning, c — et elektrisk felt med to motsatte ladninger, d — en elektrisk felt av to like ladninger
I fig.1 viser eksempler på et elektrisk felt avbildet ved bruk av kraftlinjer. Det må huskes at elektriske feltlinjer kun er en måte å grafisk representere et felt på. Det er ingen større substans i kraftlinjebegrepet her.
Coulombs lov
Styrken på samspillet mellom to ladninger avhenger av størrelsen og innbyrdes arrangement av ladningene, så vel som av de fysiske egenskapene til miljøet deres.
For to elektrifiserte fysiske kropper, hvis dimensjoner er ubetydelige sammenlignet med avstanden mellom kroppene, bestemmes helbredelsen av interaksjonen matematisk som følger:
hvor F er kraften til vekselvirkning av ladninger i newton (N), k — avstand mellom ladninger i meter (m), Q1 og Q2 — størrelsen på elektriske ladninger i coulombs (k), k er proporsjonalitetskoeffisienten, hvis verdi avhenger av egenskapene til mediet som omgir ladningene.
Formelen ovenfor lyder slik: kraften av interaksjon mellom to punktladninger er direkte proporsjonal med produktet av størrelsen på disse ladningene og omvendt proporsjonal med kvadratet på avstanden mellom dem (Coulombs lov).
For å bestemme proporsjonalitetsfaktoren k, bruk uttrykket k = 1 /(4πεεО).
Elektrisk feltpotensial
Et elektrisk felt gir alltid bevegelse til en ladning hvis feltkreftene som virker på ladningen ikke balanseres av noen ytre krefter. Dette innebærer at det elektriske feltet har potensiell energi, det vil si evnen til å utføre arbeid.
Ved å flytte en ladning fra ett punkt i rommet til et annet, virker det elektriske feltet, som et resultat av at tilførselen av potensiell energi til feltet avtar.Hvis en ladning beveger seg i et elektrisk felt under påvirkning av en ekstern kraft som virker motsatt av feltkreftene, utføres arbeidet ikke av de elektriske feltkreftene, men av ytre krefter. I dette tilfellet reduseres ikke den potensielle energien til feltet bare, men øker tvert imot.
Arbeidet som utføres av en ekstern kraft som beveger en ladning i et elektrisk felt er proporsjonal med størrelsen på feltkreftene som motsetter seg den bevegelsen. Arbeidet som gjøres i dette tilfellet av eksterne krefter, brukes i sin helhet på å øke den potensielle energien i feltet. For å karakterisere feltet fra siden av dets potensielle energi, kalles en størrelse som kalles elektrisk feltpotensial.
Essensen av denne mengden er som følger. Anta at den positive ladningen er utenfor det elektriske feltet som vurderes. Dette betyr at feltet praktisk talt ikke har noen effekt på den gitte ladningen. La en ekstern kraft introdusere denne ladningen i det elektriske feltet og overvinne motstanden mot bevegelse som utøves av feltkreftene, flytte ladningen til et gitt punkt i feltet. Arbeidet som utføres av kraften, og dermed mengden som den potensielle energien til feltet har økt med, avhenger helt av egenskapene til feltet. Derfor kan dette arbeidet karakterisere energien til et gitt elektrisk felt.
Den elektriske feltenergien knyttet til en enhet av positiv ladning plassert på et gitt punkt i feltet kalles feltpotensialet i et gitt punkt.
Hvis potensialet er betegnet med bokstaven φ, ladningen med bokstaven q og arbeidet som brukes på å flytte ladningen med W, vil feltpotensialet ved et gitt punkt uttrykkes med formelen φ = W / q.
Det følger at det elektriske feltpotensialet ved et gitt punkt er numerisk lik arbeidet som utføres av en ekstern kraft når en enhets positiv ladning beveger seg ut av feltet mot et gitt punkt. Feltpotensialet måles i volt (V). Hvis under overføringen av en coulomb med elektrisitet utenfor feltet til et gitt punkt, ytre krefter har utført arbeid lik en joule, så er potensialet ved et gitt punkt i feltet lik en volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Elektrisk feltstyrke
I ethvert elektrisk felt beveger positive ladninger seg fra punkter med høyere potensial til punkter med lavere potensial. Tvert imot, negative ladninger beveger seg fra punkter med lavere potensial til punkter med høyere potensial. I begge tilfeller utføres arbeid på bekostning av potensiell energi til det elektriske feltet.
Hvis vi kjenner dette arbeidet, det vil si hvor mye den potensielle energien til feltet har avtatt når den positive ladningen q beveger seg fra punkt 1 i feltet til punkt 2, så er det lett å finne spenningen mellom disse punktene i feltet. felt U1,2:
U1,2 = A / q,
hvor A er arbeidet som gjøres av feltkreftene når ladningen q overføres fra punkt 1 til punkt 2. Spenningen mellom to punkter i det elektriske feltet er numerisk lik arbeidet som utføres av null for å overføre en enhet positiv ladning fra ett punkt i felten til en annen.
Som man kan se, representerer spenningen mellom to punkter i feltet og potensialforskjellen mellom de samme punktene den samme fysiske enheten ... Derfor er begrepene spenning og potensialforskjell de samme. Spenningen måles i volt (V).
Spenningen mellom to punkter er lik en volt hvis, når du overfører en coulomb med elektrisitet fra ett punkt i feltet til et annet, feltkreftene virker lik en joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Elektrisk feltstyrke
Det følger av Coulombs lov at den elektriske feltstyrken til en gitt ladning som virker på en annen ladning plassert i dette feltet ikke er den samme på alle punkter i feltet. Det elektriske feltet på ethvert punkt kan karakteriseres av størrelsen på kraften som det virker på en enhets positiv ladning plassert ved et gitt punkt.
Når du kjenner denne verdien, kan kraften F som virker på hver ladning Q bestemmes. Du kan skrive at F = Q x E, hvor F er kraften som virker på ladningen Q plassert i et punkt i feltet av det elektriske feltet, E er kraften som virker på en enhets positiv ladning plassert på samme punkt i feltet. Mengden E numerisk lik kraften som oppleves av en enhets positiv ladning ved et gitt punkt i feltet kalles den elektriske feltstyrken.