Først kan konseptet med et felt virke litt abstrakt. Hva er denne mystiske usynlige tingen som fyller plass? Det kan høres ut som noe rett ut av science fiction!
Men et felt er egentlig bare en matematisk konstruksjon, eller en måte å tildele en vektor til alle regioner i rommet som gir noen indikasjon på hvor sterk eller svak en effekt er på hvert punkt.
Definisjon av Electric Field
Akkurat som objekter med masse skaper et gravitasjonsfelt, skaper objekter med elektrisk ladning elektriske felt. Verdien av feltet til enhver tid gir deg informasjon om hva som vil skje med et annet objekt når det plasseres der. Når det gjelder gravitasjonsfelt, gir det informasjon om hvilken gravitasjonskraft en annen masse vil føle.
Anelektrisk felter et vektorfelt som tildeler hvert punkt i rommet en vektor som indikerer den elektrostatiske kraften per ladningsenhet på det stedet. Ethvert element med ladning genererer et elektrisk felt.
SI-enhetene assosiert med elektrisk felt er Newton per Coulomb (N / C). Og størrelsen på det elektriske feltet på grunn av en punktkildeladingSpørsmåler gitt av:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Hvorrer avstanden fra ladningenSpørsmålog Coulomb-konstantenk = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
I henhold til konvensjonen peker retningen på det elektriske feltet radialt fra positive ladninger og mot negative ladninger. En annen måte å tenke på det er at det alltid peker i retning av at en positiv testladning vil bevege seg hvis den plasseres der.
Siden felt er kraft per enhetsladning, så er kraften på en punkttestladningqi et feltEville ganske enkelt være et produkt avqogE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Hvilket er det samme resultatet gitt av Coulombs lov for elektrisk kraft.
Feltet på et gitt punkt på grunn av flere kildeladninger eller en ladningsfordeling er vektorsummen av feltet på grunn av hvert av ladningene individuelt. For eksempel hvis feltet produseres av kildeladingSpørsmål1alene på et gitt punkt er 3 N / C til høyre, og feltet produseres av en kildeladingSpørsmål2alene på samme punkt er 2 N / C til venstre, da vil feltet på det tidspunktet på grunn av begge ladningene være 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C til høyre.
Elektriske feltlinjer
Ofte er elektriske felt avbildet med kontinuerlige linjer i rommet. Feltvektorene er tangent til feltlinjene på et gitt punkt, og disse linjene indikerer banen som en positiv ladning ville bevege seg hvis de fikk bevege seg fritt i feltet.
Feltintensiteten eller den elektriske feltstyrken er indikert ved linjeavstand. Feltet er sterkere på steder der feltlinjene er nærmere hverandre og svakere der de er mer spredt. De elektriske feltlinjene assosiert med en positiv punktladning, ser slik ut:
Feltlinjene til en dipol ligner på en punktladning på utsiden av en dipol, men er veldig forskjellige i mellom:
•••wikimedia commons
Kan elektriske feltlinjer noen gang krysse?
For å svare på dette spørsmålet, bør du vurdere hva som ville skje hvis feltlinjene krysset.
Som nevnt tidligere er feltvektorene alltid tangent til feltlinjene. Hvis to feltlinjer krysser, ville det ved skjæringspunktet være to forskjellige feltvektorer, som hver peker i hver sin retning.
Men dette kan ikke være. Du kan ikke ha to forskjellige feltvektorer på samme sted i rommet. Dette antyder at en positiv ladning plassert på dette stedet på en eller annen måte vil reise i mer enn en retning!
Så svaret er nei, feltlinjer kan ikke krysse.
Elektriske felt og ledere
I en leder er elektroner fri til å bevege seg. Hvis det er et elektrisk felt inne i en leder, vil disse ladningene bevege seg på grunn av den elektriske kraften. Merk at når de flytter, vil denne omfordelingen av kostnader begynne å bidra til nettofeltet.
Elektronene vil fortsette å bevege seg så lenge et ikke-null-felt eksisterer i lederen. Derfor beveger de seg til de har fordelt seg på en slik måte at de avbryter det indre feltet.
Av en lignende grunn ligger nettolading på en leder alltid på lederens overflate. Dette er fordi like anklager vil frastøte, og fordeler seg jevnt så jevnt og langt unna som mulig, og hver bidrager til nettointeriørfeltet på en slik måte at effekten deres avbryter hverandre ute.
Derfor, under statiske forhold, er feltet inne i en leder alltid null.
Denne egenskapen til ledere tillaterelektrisk skjerming. Det vil si at siden frie elektroner i en leder alltid vil distribuere seg slik at de avbryter felt inne, så vil alt som er inneholdt i et ledende nett beskyttet mot ekstern elektrisk krefter.
Merk at elektriske feltlinjer alltid kommer inn i og forlater overflaten til en leder vinkelrett. Dette er fordi en hvilken som helst parallell komponent i feltet vil føre til at frie elektroner på overflaten beveger seg, noe de vil gjøre til det ikke er mer nettofelt i den retningen.
Eksempler på elektriske felt
Eksempel 1:Hva er det elektriske feltet halvveis mellom en ladning på +6 μC og en ladning på +4 μC atskilt med 10 cm? Hvilken kraft vil en +2 μC testladning føles på dette stedet?
Begynn med å velge et koordinatsystem der det positivex-akselen peker mot høyre, og la +6 μC ladningen ligge ved opprinnelsen mens +4 μC ladningen ligger vedx= 10 cm. Det elektriske nettofeltet vil være vektorsummen av feltet på grunn av +6 μC-ladningen (som vil peke mot høyre) og feltet på grunn av +4 μC-ladningen (som vil peke mot venstre):
E = \ frac {(8,99 \ ganger 10 ^ 9) (6 \ ganger 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ ganger 10 ^ 9) (4 \ ganger 10 ^ {- 6})} {0.05 ^ 2} = 7.19 \ times10 ^ 6 \ text {N / C}
Den elektriske kraften som føls av +2 μC ladningen er da:
F = qE = (2 \ times10 ^ {- 6}) (7,19 \ times10 ^ 6) = 14,4 \ text {N}
Eksempel 2:En ladning på 0,3 μC er opprinnelig og en ladning på -0,5 μC er plassert ved x = 10 cm. Finn et sted der det elektriske nettofeltet er 0.
Først kan du bruke resonnement for å fastslå at det ikke kan væremellomde to ladningene fordi nettofeltet mellom dem alltid vil være null og peke mot høyre. Det kan heller ikke være tilIkke santav -.5 μC-ladningen fordi nettofeltet vil være til venstre og ikke null. Derfor må det være tilvenstreav 0,3 μC ladningen.
Lad= avstand til venstre for 0,3 μC ladningen der feltet er 0. Uttrykket for nettofeltet klder:
E = - \ frac {k (0.3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0.5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Nå løser du ford,først ved å avbrytek 's:
- \ frac {0.3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0.5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Deretter multipliserer du for å bli kvitt nevnere, forenkle og lage en kvadratisk formel:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Å løse det kvadratiske gird= 0,34 m.
Derfor er nettofeltet null på et sted 0,34 m til venstre for 0,3 μC ladningen.
