Karakteristike električnog polja

U članku su opisane glavne karakteristike električnog polja: potencijal, napon i intenzitet.

Što je električno polje

Za stvaranje električnog polja potrebno je stvoriti električni naboj. Svojstva prostora oko naboja (nabijenih tijela) razlikuju se od svojstava prostora u kojem nema naboja. Pritom se svojstva prostora, kada se u njega unese električni naboj, ne mijenjaju trenutno: promjena počinje od naboja i širi se određenom brzinom od jedne do druge točke prostora.

U prostoru koji sadrži naboj manifestiraju se mehaničke sile koje djeluju na druge naboje unesene u taj prostor. Te sile nisu rezultat izravnog djelovanja jednog naboja na drugi, već djelovanja kroz kvalitativno promijenjeni medij.

Prostor oko električnih naboja, u kojem se očituju sile koje djeluju na unesene električne naboje, naziva se električno polje.

Naboj u električnom polju kreće se u smjeru sile koja na njega djeluje sa strane polja.Stanje mirovanja takvog naboja moguće je samo kada na naboj djeluje neka vanjska (vanjska) sila koja uravnotežuje jakost električnog polja.

Čim se poremeti ravnoteža između vanjske sile i jakosti polja, naboj se ponovno pokreće. Smjer njezina kretanja uvijek se poklapa sa smjerom veće sile.

Radi jasnoće, električno polje se obično prikazuje takozvanim linijama električnog polja. Te se linije podudaraju sa smjerom sila koje djeluju u električnom polju. Pritom je dogovoreno da se nacrta toliko linija da njihov broj za svaki 1 cm2 površine postavljene okomito na linije bude proporcionalan jakosti polja u odgovarajućoj točki.

Za smjer polja obično se uzima smjer jakosti polja koje djeluje na pozitivan naboj smješten u danom polju. Pozitivni naboji se odbijaju od pozitivnih naboja i privlače negativni naboji. Stoga je polje usmjereno od pozitivnih prema negativnim nabojima.

Smjer linija sila označen je na crtežima strelicama. Znanost je dokazala da silnice električnog polja imaju početak i kraj, odnosno da nisu zatvorene same za sebe. Na temelju pretpostavljenog smjera polja nalazimo da linije sile počinju s pozitivnim nabojem (pozitivno nabijena tijela), a završavaju s negativnima.

Riža. 1. Primjeri slike električnog polja pomoću linija sile: a — električno polje s jednim pozitivnim nabojem, b — električno polje s jednim negativnim nabojem, c — električno polje dvaju suprotnih naboja, d — električno polje dva jednaka naboja

Na sl.Slika 1 prikazuje primjere električnog polja prikazanog pomoću linija sile. Mora se zapamtiti da su linije električnog polja samo način grafičkog prikazivanja polja. Ovdje nema većeg sadržaja za koncept linije sile.

Coulombov zakon

Snaga međudjelovanja dvaju naboja ovisi o veličini i međusobnom rasporedu naboja, kao i o fizičkim svojstvima njihove okoline.

Za dva naelektrizirana fizička tijela, čije su dimenzije beznačajne u usporedbi s udaljenosti između tijela, ozdravljenje međudjelovanja matematički se određuje na sljedeći način:

gdje je F sila međudjelovanja naboja u njutnima (N), k — udaljenost između naboja u metrima (m), Q1 i Q2 — veličina električnih naboja u kulonima (k), k je koeficijent proporcionalnosti čija vrijednost ovisi o svojstvima medija koji okružuje naboje.

Gornja formula glasi ovako: sila međudjelovanja između dva točkasta naboja izravno je proporcionalna umnošku veličina tih naboja i obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih (Coulombov zakon).

Za određivanje faktora proporcionalnosti k upotrijebite izraz k = 1 /(4πεεO).

Potencijal električnog polja

Električno polje uvijek prenosi gibanje naboju ako sile polja koje djeluju na naboj nisu uravnotežene vanjskim silama. To znači da električno polje ima potencijalnu energiju, odnosno sposobnost obavljanja rada.

Premještanjem naboja s jedne točke prostora na drugu električno polje vrši rad, uslijed čega se smanjuje dovod potencijalne energije u polje.Ako se naboj giba u električnom polju pod djelovanjem neke vanjske sile koja djeluje suprotno od sila polja, tada rad ne vrše sile električnog polja, već vanjske sile. U tom slučaju potencijalna energija polja ne samo da se ne smanjuje, već se, naprotiv, povećava.

Rad vanjske sile koja pomiče naboj u električnom polju proporcionalan je veličini polja sila koje se suprotstavljaju tom gibanju. Rad vanjskih sila u ovom slučaju u potpunosti se troši na povećanje potencijalne energije polja. Za karakterizaciju polja sa strane njegove potencijalne energije, zove se veličina koja se naziva potencijal električnog polja.

Suština ove količine je sljedeća. Pretpostavimo da je pozitivni naboj izvan električnog polja koje razmatramo. To znači da polje praktički nema utjecaja na dati naboj. Neka vanjska sila unese ovaj naboj u električno polje i, svladavajući otpor gibanja koji stvaraju sile polja, pomakne naboj do određene točke u polju. Rad sile, a time i iznos za koji se povećala potencijalna energija polja, u potpunosti ovisi o svojstvima polja. Stoga ovaj rad može karakterizirati energiju danog električnog polja.

Energija električnog polja povezana s jedinicom pozitivnog naboja smještenom u danoj točki polja naziva se potencijal polja u danoj točki.

Ako se potencijal označi slovom φ, naboj slovom q i rad utrošen na pomicanje naboja W, tada će potencijal polja u danoj točki biti izražen formulom φ = W / q.

Slijedi da je potencijal električnog polja u danoj točki brojčano jednak radu vanjske sile kada se jedinični pozitivni naboj pomakne iz polja prema danoj točki. Potencijal polja se mjeri u voltima (V). Ako su vanjske sile tijekom prijenosa jednog kulona elektriciteta izvan polja do određene točke izvršile rad jednak jednom džulu, tada je potencijal u danoj točki polja jednak jednom voltu: 1 volt = 1 džul / 1 kulonski

Jačina električnog polja

U svakom električnom polju pozitivni naboji se kreću od točaka višeg potencijala do točaka nižeg potencijala. Naprotiv, negativni naboji se kreću od točaka nižeg potencijala do točaka višeg potencijala. U oba slučaja rad se vrši na račun potencijalne energije električnog polja.

Ako znamo taj rad, to jest iznos za koji se potencijalna energija polja smanjila kada se pozitivni naboj q pomakne od točke 1 polja do točke 2, tada je lako pronaći napon između tih točaka polja. polje U1,2:

U1,2 = A / q,

gdje je A rad sila polja kada se naboj q prenese iz točke 1 u točku 2. Napon između dvije točke u električnom polju brojčano je jednak radu nule za prijenos jediničnog pozitivnog naboja iz jedne točke u polju drugome.

Kao što se može vidjeti, napon između dvije točke polja i razlika potencijala između istih točaka predstavljaju istu fizičku jedinicu... Dakle, pojmovi napon i razlika potencijala su isti. Napon se mjeri u voltima (V).

Napon između dvije točke jednak je jednom voltu ako pri prijenosu jednog kulona elektriciteta s jedne točke polja na drugu sile polja obave rad jednak jednom džulu: 1 volt = 1 džul / 1 kulon

Jačina električnog polja

Iz Coulombova zakona proizlazi da jakost električnog polja određenog naboja koji djeluje na drugi naboj smješten u tom polju nije ista u svim točkama polja. Električno polje u bilo kojoj točki može se karakterizirati veličinom sile kojom ono djeluje na jedinični pozitivni naboj smješten u danoj točki.

Znajući ovu vrijednost, može se odrediti sila F koja djeluje na svaki naboj Q. Možete napisati da je F = Q x E, gdje je F sila koja djeluje na naboj Q postavljen u točku u polju pomoću električnog polja, E je sila koja djeluje na jedinični pozitivni naboj smješten u istoj točki polja. Veličina E numerički jednaka sili koju djeluje jedinični pozitivni naboj u danoj točki polja naziva se jakost električnog polja.