Aluksi kentän käsite saattaa tuntua hieman abstraktilta. Mikä tämä salaperäinen näkymätön asia täyttää tilaa? Se voi kuulostaa jotain aivan tieteiselta fiktiolta!
Mutta kenttä on oikeastaan vain matemaattinen rakenne tai tapa osoittaa vektori jokaiselle avaruusalueelle, mikä antaa jonkinlaisen kuvan siitä, kuinka voimakas tai heikko vaikutus kussakin kohdassa on.
Määritelmä sähkökenttä
Aivan kuten massaiset esineet luovat painovoimakentän, sähkövaraukselliset esineet luovat sähkökenttiä. Kentän arvo missä tahansa kohdassa antaa sinulle tietoa siitä, mitä tapahtuu toiselle objektille, kun se sijoitetaan sinne. Painovoimakentän tapauksessa se antaa tietoa siitä, minkä painovoiman toinen massa tuntee.
Ansähkökenttäon vektorikenttä, joka määrittää jokaiselle avaruuspisteelle vektorin, joka osoittaa sähköstaattisen voiman latausyksikköä kohti kyseisessä paikassa. Mikä tahansa esine, jolla on varaus, tuottaa sähkökentän.
Sähkökenttään liittyvät SI-yksiköt ovat Newtonia per Coulomb (N / C). Ja sähkökentän suuruus pistelähteen varauksen vuoksiQantaa:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Missäron etäisyys latauksestaQja Coulomb-vakiok = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Sopimuksen mukaan sähkökentän suunta osoittaa säteittäisesti pois positiivisista varauksista ja kohti negatiivisia varauksia. Toinen tapa ajatella sitä on, että se osoittaa aina siihen suuntaan, että positiivinen testivaraus liikkuu, jos se asetetaan sinne.
Koska kenttä on voimaa latausyksikköä kohden, niin pistekokeen latauksen voimaqpellollaEolisi yksinkertaisesti tuotteenqjaE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Mikä on sama tulos, jonka Coulombin laki antaa sähkövoimalle.
Kenttä missä tahansa kohdassa useiden lähdemaksujen tai varauksen jakauman vuoksi on kentän vektorisumma, joka johtuu kustakin varauksesta erikseen. Esimerkiksi, jos kenttä on tuotettu lähdelaitteellaQ1yksinään tietyssä pisteessä on 3 N / C oikealle, ja lähdelatauksen tuottama kenttäQ2Pelkästään samassa pisteessä on 2 N / C vasemmalle, sitten kenttä siinä pisteessä molempien varausten vuoksi olisi 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C oikealle.
Sähkökenttälinjat
Usein sähkökentät kuvataan yhtenäisillä viivoilla avaruudessa. Kenttävektorit ovat tangentteja kenttäviivoille missä tahansa pisteessä, ja nämä linjat osoittavat polun, jota positiivinen varaus kulkii, jos sen annetaan liikkua vapaasti kentällä.
Kentän voimakkuus tai sähkökentän voimakkuus ilmaistaan viivojen etäisyydellä. Kenttä on vahvempi paikoissa, joissa kenttälinjat ovat lähempänä toisiaan ja heikompia, missä ne ovat levinneet paremmin. Positiiviseen pistevaraukseen liittyvät sähkökentän linjat näyttävät tältä:
Dipolin kenttäviivat muistuttavat dipolin ulkoreunojen pistevaraajia, mutta ovat hyvin erilaisia:
•••wikimedia commons
Voivatko sähkökentät kulkea koskaan?
Vastaa tähän kysymykseen pohtimalla, mitä tapahtuisi, jos kenttäviivat ylittäisivät.
Kuten aiemmin mainittiin, kenttävektorit ovat aina tangenttina kentän viivoille. Jos kaksi kenttäviivaa risteää, leikkauspisteessä olisi kaksi erilaista kenttävektoria, joista jokainen osoittaa eri suuntaan.
Mutta tämä ei voi olla. Sinulla ei voi olla kahta erilaista kenttävektoria samassa avaruuspisteessä. Tämä viittaa siihen, että tähän paikkaan sijoitettu positiivinen varaus kulkeisi jotenkin useampaan kuin yhteen suuntaan!
Joten vastaus on ei, kentän viivat eivät voi ylittää.
Sähkökentät ja johtimet
Johtimessa elektronit voivat liikkua vapaasti. Jos johtimen sisällä on sähkökenttä, nämä varaukset liikkuvat sähkövoiman vuoksi. Huomaa, että kun ne siirtyvät, tämä maksujen uudelleenjako alkaa vaikuttaa verkkokenttään.
Elektronit liikkuvat niin kauan kuin johtimessa on nollakenttä. Siksi he liikkuvat, kunnes ovat jakaneet itsensä siten, että kumoavat sisätilan.
Samasta syystä johtimeen asetettu nettovaraus on aina johtimen pinnalla. Tämä johtuu siitä, että samanlaiset maksut hylkäävät ja jakautuvat tasaisesti yhtä tasaisesti ja kauas kuin mahdollinen, kukin osallistuu nettokenttään siten, että niiden vaikutukset kumoavat toisensa ulos.
Siksi staattisissa olosuhteissa johtimen sisällä oleva kenttä on aina nolla.
Tämä johdinominaisuus salliisähköinen suojaus. Toisin sanoen, koska johtimen vapaat elektronit jakautuvat aina niin, että ne peruuttavat sisällä oleva kenttä, silloin kaikki johtavan verkon sisällä olevat osat suojataan ulkoiselta sähköltä voimat.
Huomaa, että sähkökenttäjohdot tulevat aina johtimen pintaan ja poistuvat siitä kohtisuorassa. Tämä johtuu siitä, että mikä tahansa kentän yhdensuuntainen komponentti saisi pinnan vapaat elektronit liikkumaan, mitä he tekevät, kunnes siihen suuntaan ei ole enää nettokenttää.
Esimerkkejä sähkökentästä
Esimerkki 1:Mikä on sähkökenttä puolivälissä +6 μC: n ja +4 μC: n varauksen välillä erotettuna 10 cm: llä? Minkä voiman +2 μC testilataus tunisi tässä paikassa?
Aloita valitsemalla koordinaatisto, jossa positiivinenx-akseli osoittaa oikealle ja anna +6 μC: n varauksen olla alkupuolella, kun taas +4 μC: n varaus onx= 10 cm. Nettosähkökenttä on +6 μC: n varauksesta johtuvan kentän vektorisumma (joka osoittaa oikealle) ja +4 μC: n varauksen aiheuttama kenttä (joka osoittaa vasemmalle):
E = \ frac {(8.99 \ kertaa 10 ^ 9) (6 \ kertaa 10 ^ {- 6})} {0.05 ^ 2} - \ frac {(8.99 \ kertaa 10 ^ 9) (4 \ kertaa 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ kertaa10 ^ 6 \ teksti {N / C}
Tällöin +2 μC: n varauksen tuntema sähkövoima on:
F = qE = (2 \ kertaa10 ^ {- 6}) (7,19 \ kertaa10 ^ 6) = 14,4 \ teksti {N}
Esimerkki 2:Alkuperässä on 0,3 μC: n varaus ja -0,5 μC: n varaus asetetaan kohtaan x = 10 cm. Etsi paikka, jossa nettosähkökenttä on 0.
Ensinnäkin voit käyttää perusteluja selvittääksesi, että se ei voi ollavälillänämä kaksi latausta, koska niiden välinen nettokenttä on aina nolla ja osoittaa oikealle. Se ei voi olla myöskäänoikein-5 μC: n varauksesta, koska nettokenttä olisi vasemmalla ja nolla. Siksi sen on oltavavasemmalle0,3 μC: n latauksesta.
Päästääd= etäisyys 0,3 μC: n varauksen vasemmalta puolelta, kun kenttä on 0. Nettokentän lausekedOn:
E = - \ frac {k (0,3 \ teksti {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0,5 \ teksti {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Nyt ratkaisetd,ensin peruuttamallak 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Sitten moninkertaistat päästä eroon nimittäjistä, yksinkertaista ja tee neliöllinen kaava:
5d ^ 2-3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Neliöllisen arvon ratkaiseminend= 0,34 m.
Siksi nettokenttä on nolla kohdassa 0,34 m vasemmalla puolella 0,3 μC: n varausta.