Sākumā lauka jēdziens varētu šķist nedaudz abstrakts. Kas ir šī noslēpumainā neredzamā lieta, kas piepilda vietu? Tas var izklausīties kā kaut kas tieši no zinātniskās fantastikas!
Bet lauks patiesībā ir tikai matemātiska konstrukcija vai veids, kā katram kosmosa reģionam piešķirt vektoru, kas dod zināmu norādi par to, cik spēcīga vai vāja ir ietekme katrā punktā.
Elektriskā lauka definīcija
Tāpat kā objekti ar masu rada gravitācijas lauku, objekti ar elektrisko lādiņu rada elektriskos laukus. Lauka vērtība jebkurā brīdī dod jums informāciju par to, kas notiks ar citu objektu, kad tas tiks ievietots. Gravitācijas lauka gadījumā tas sniedz informāciju par to, kādu gravitācijas spēku izjutīs cita masa.
Anelektriskais lauksir vektora lauks, kas katram telpas punktam piešķir vektoru, kas norāda elektrostatisko spēku uz vienu lādiņa vienību šajā vietā. Jebkurš priekšmets ar uzlādi rada elektrisko lauku.
SI vienības, kas saistītas ar elektrisko lauku, ir Ņūtons uz Kulonu (N / C). Un elektriskā lauka lielums punktveida avota lādiņa dēļJdod:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Kurrir attālums no lādiņaJun Kulona konstantek = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Pēc vienošanās elektriskā lauka virziens ir radiāls virzienā no pozitīvajiem lādiņiem un uz negatīvajiem lādiņiem. Vēl viens domāšanas veids ir tas, ka tas vienmēr norāda virzienā, kurā pozitīvs testa lādiņš pārvietotos, ja to tur ievietotu.
Tā kā lauks ir spēks uz vienu lādiņa vienību, tad spēks uz testa testa lādiņuqlaukāEbūtu vienkārši produktsqunE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Tas ir tas pats rezultāts, ko deva Kulona likums par elektrisko spēku.
Lauks jebkurā konkrētā punktā vairāku avotu lādiņu vai lādiņu sadalījuma dēļ ir lauka vektoru summa, kas saistīta ar katru lādiņu atsevišķi. Piemēram, ja lauku rada avota maksaJ1tikai noteiktā punktā ir 3 N / C pa labi, un lauku rada avota lādiņšJ2vien tajā pašā punktā ir 2 N / C pa kreisi, tad lauks šajā punktā abu lādiņu dēļ būtu 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C pa labi.
Elektriskā lauka līnijas
Bieži elektriskie lauki tiek attēloti ar nepārtrauktām līnijām kosmosā. Lauka vektori jebkurā brīdī pieskaras lauka līnijām, un šīs līnijas norāda ceļu, pa kuru pozitīvs lādiņš pārvietotos, ja tam ļautu brīvi pārvietoties laukā.
Lauka intensitāti vai elektriskā lauka intensitāti norāda līniju atstatums. Lauks ir stiprāks vietās, kur lauka līnijas ir tuvāk viena otrai, un vājākas vietās, kur tās ir vairāk izkliedētas. Elektriskā lauka līnijas, kas saistītas ar pozitīvu punktu lādiņu, izskatās šādi:
Dipola lauka līnijas atgādina punktveida lādiņu uz dipola ārējām malām, taču starp tām ir ļoti atšķirīgas:
•••wikimedia commons
Vai elektriskā lauka līnijas var kādreiz šķērsot?
Lai atbildētu uz šo jautājumu, apsveriet, kas notiktu, ja lauka līnijas tiešām krustotos.
Kā minēts iepriekš, lauka vektori vienmēr pieskaras lauka līnijām. Ja divas lauka līnijas šķērso, tad krustošanās punktā būtu divi dažādi lauka vektori, no kuriem katrs būtu citā virzienā.
Bet tas tā nevar būt. Vienā telpas punktā nevar būt divi dažādi lauka vektori. Tas liecinātu, ka pozitīvs lādiņš, kas ievietots šajā vietā, kaut kā virzītos vairāk nekā vienā virzienā!
Tātad atbilde ir nē, lauka līnijas nevar šķērsot.
Elektriskie lauki un vadītāji
Vadītājā elektroni var brīvi pārvietoties. Ja vadītāja iekšpusē atrodas elektriskais lauks, elektriskā spēka dēļ šie lādiņi pārvietosies. Ņemiet vērā, ka, tiklīdz viņi pārvietosies, šī maksu pārdale sāks ieguldīt tīkla laukā.
Elektroni turpinās kustēties, kamēr vadītājā pastāv nulles lauks. Tādējādi viņi pārvietojas, līdz ir sadalījušies tā, lai atceltu iekšējo lauku.
Līdzīga iemesla dēļ jebkura vadītāja uzliktā neto lādiņa vienmēr gulstas uz vadītāja virsmas. Tas ir tāpēc, ka līdzīgi maksājumi atvairīs, vienmērīgi sadaloties tikpat vienmērīgi un tālu kā iespējams, katrs dodot ieguldījumu neto iekšējā laukā tādā veidā, ka to ietekme viens otru atceļ ārā.
Tādējādi statiskos apstākļos lauks vadītāja iekšienē vienmēr ir nulle.
Šis diriģentu īpašums ļaujelektriskais ekranējums. Tas ir, tā kā brīvie elektroni vadītājā vienmēr sadalīsies paši, lai atceltu iekšpusē, tad viss, kas atrodas vadošā tīklā, tiks pasargāts no ārējās elektriskās strāvas spēki.
Ņemiet vērā, ka elektriskā lauka līnijas vienmēr perpendikulāri nonāk vadītāja virsmā un atstāj to. Tas ir tāpēc, ka jebkura paralēla lauka sastāvdaļa izraisītu brīvo elektronu pārvietošanos uz virsmas, ko viņi darīs, kamēr šajā virzienā vairs nebūs tīkla lauka.
Elektriskā lauka piemēri
1. piemērs:Kāds ir elektriskais lauks pusceļā starp +6 μC lādiņu un +4 μC lādiņu, kas atdalīts ar 10 cm? Kādu spēku šajā vietā izjustu +2 μC testa lādiņš?
Sāciet, izvēloties koordinātu sistēmu, kur pozitīvsx- ass norāda uz labo pusi, un ļaujiet +6 μC lādiņam gulēt uz sākuma, bet +4 μC lādiņam piex= 10 cm. Tīrais elektriskais lauks būs lauka vektoru summa +6 μC lādiņa dēļ (kas būs vērsta uz labo pusi) un lauka dēļ +4 μC lādiņa dēļ (kas norādīs pa kreisi):
E = \ frac {(8,99 \ reizes 10 ^ 9) (6 \ reizes 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ reizes 10 ^ 9) (4 \ reizes 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ reizes10 ^ 6 \ teksts {N / C}
Elektriskais spēks, ko izjūt +2 μC lādiņš, tad ir:
F = qE = (2 \ reizes10 ^ {- 6}) (7,19 \ reizes10 ^ 6) = 14,4 \ teksts {N}
2. piemērs:Izcelsme ir 0,3 μC, un x = 10 cm tiek ievietota -0,5 μC lādiņa. Atrodiet vietu, kur neto elektriskais lauks ir 0.
Pirmkārt, varat izmantot argumentāciju, lai noteiktu, ka tā nevar būtstarpdivi lādiņi, jo neto lauks starp tiem vienmēr būs nulle un vērsts uz labo pusi. Tas arī nevar būtpa labi-5 μC lādiņa, jo neto lauks būtu pa kreisi un nenulle. Tāpēc tam ir jābūtpa kreisino 0,3 μC lādiņa.
Ļaujietd= attālums pa kreisi no 0,3 μC lādiņa, ja lauks ir 0. Tīkla lauka izteiksmedir:
E = - \ frac {k (0.3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0.5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Tagad jūs atrisinātd,vispirms atceļotk 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Tad jūs reizināt, lai atbrīvotos no saucējiem, vienkāršotu un izveidotu kvadrātveida formulu:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Risinot kvadrātisko dodd= 0,34 m.
Tādējādi neto lauks ir nulle vietā 0,34 m pa kreisi no 0,3 μC lādiņa.