Pole elektryczne: definicja, jednostki, wzór, linie, intensywność (z przykładami)

Na pierwszy rzut oka pojęcie pola może wydawać się nieco abstrakcyjne. Czym jest ta tajemnicza niewidzialna rzecz wypełniająca przestrzeń? To może brzmieć jak coś prosto z science fiction!

Ale pole jest tak naprawdę tylko konstrukcją matematyczną lub sposobem przypisania wektora do każdego obszaru przestrzeni, który daje pewną wskazówkę, jak silny lub słaby jest efekt w każdym punkcie.

Tak jak obiekty o masie wytwarzają pole grawitacyjne, tak obiekty z ładunkiem elektrycznym wytwarzają pola elektryczne. Wartość pola w dowolnym punkcie daje informacje o tym, co stanie się z innym obiektem, gdy zostanie tam umieszczony. W przypadku pola grawitacyjnego daje informację o tym, jaką siłę grawitacyjną odczuje inna masa.

Napole elektrycznejest polem wektorowym, które przypisuje każdemu punktowi w przestrzeni wektor wskazujący siłę elektrostatyczną na jednostkę ładunku w tym miejscu. Każdy przedmiot z ładunkiem generuje pole elektryczne.

Jednostki SI związane z polem elektrycznym to niutony na kulomb (N/C). A wielkość pola elektrycznego ze względu na ładunek punktowy źródła

Gdzierjest odległość od ładunkuQi stała Coulombak​ = 8.99 × 10⁹ Nm²/DO².

Zgodnie z konwencją kierunek pola elektrycznego jest skierowany promieniowo od ładunków dodatnich i w kierunku ładunków ujemnych. Innym sposobem myślenia o tym jest to, że zawsze wskazuje on kierunek, w którym poruszałby się dodatni ładunek testowy, gdyby został tam umieszczony.

Ponieważ pole to siła przypadająca na jednostkę ładunku, to siła działająca na punktowy ładunek testowyqw polumibyłby po prostu produktemqimi​:

Jest to ten sam wynik, który daje prawo Coulomba dla siły elektrycznej.

Pole w dowolnym punkcie spowodowane wieloma ładunkami źródłowymi lub rozkładem ładunku jest sumą wektorową pola wynikającego z każdego z ładunków z osobna. Na przykład, jeśli pole wytwarzane przez ładunek źródłowyQ₁samo w danym punkcie to 3 N/C w prawo, a pole wytwarzane przez ładunek źródłowyQ₂samo w tym samym punkcie jest 2 N/C w lewo, wtedy pole w tym punkcie z powodu obu ładunków wynosiłoby 3 N/C - 2 N/C = 1 N/C w prawo.

Często pola elektryczne są przedstawiane w przestrzeni ciągłymi liniami. Wektory pola są styczne do linii pola w dowolnym punkcie, a linie te wskazują drogę, którą przebyłby ładunek dodatni, gdyby mógł swobodnie poruszać się w polu.

Natężenie pola lub natężenie pola elektrycznego jest wskazywane przez odstępy między liniami. Pole jest silniejsze w miejscach, gdzie linie pola są bliżej siebie i słabsze tam, gdzie są bardziej rozłożone. Linie pola elektrycznego związane z dodatnim ładunkiem punktowym wyglądają następująco:

Linie pola dipola przypominają te z ładunku punktowego na zewnętrznych krawędziach dipola, ale różnią się między sobą:

•••Wikimedia Commons

Aby odpowiedzieć na to pytanie, zastanów się, co by się stało, gdyby linie pola się przecięły.

Jak wspomniano wcześniej, wektory pola są zawsze styczne do linii pola. Jeśli dwie linie pola krzyżują się, to w punkcie przecięcia byłyby dwa różne wektory pola, każdy skierowany w innym kierunku.

Ale to niemożliwe. Nie możesz mieć dwóch różnych wektorów pola w tym samym punkcie przestrzeni. Sugerowałoby to, że ładunek dodatni umieszczony w tym miejscu mógłby w jakiś sposób przemieszczać się w więcej niż jednym kierunku!

Więc odpowiedź brzmi nie, linie pola nie mogą się przecinać.

W przewodniku elektrony mogą się swobodnie poruszać. Jeśli wewnątrz przewodnika obecne jest pole elektryczne, to ładunki te przesuną się pod wpływem siły elektrycznej. Zauważ, że gdy się przeniosą, ta redystrybucja opłat zacznie przyczyniać się do pola netto.

Elektrony będą się poruszać tak długo, jak w przewodniku będzie istniało niezerowe pole. Dlatego poruszają się, dopóki nie rozdzielą się w taki sposób, aby zlikwidować pole wewnętrzne.

Z podobnego powodu każdy ładunek netto nałożony na przewodnik zawsze leży na powierzchni przewodnika. Dzieje się tak dlatego, że podobne ładunki będą się odpychać, równomiernie rozkładając się tak równomiernie i daleko jak możliwe, z których każdy przyczynia się do wewnętrznego pola netto w taki sposób, że ich efekty wzajemnie się znoszą na zewnątrz.

Stąd w warunkach statycznych pole wewnątrz przewodnika jest zawsze zerowe.

Ta właściwość przewodników pozwala na:ekranowanie elektryczne. Oznacza to, że wolne elektrony w przewodniku zawsze będą się rozprowadzać tak, że anulują pole wewnątrz, wtedy wszystko, co jest zawarte w przewodzącej siatce, będzie ekranowane przed zewnętrznym prądem elektrycznym siły.

Zauważ, że linie pola elektrycznego zawsze wchodzą i wychodzą z powierzchni przewodnika prostopadle. Dzieje się tak, ponieważ każda równoległa składowa pola spowodowałaby ruch swobodnych elektronów na powierzchni, co będzie się działo, dopóki nie będzie już pola netto w tym kierunku.

​Przykład 1:Jakie jest pole elektryczne w połowie drogi między ładunkiem +6 μC a ładunkiem +4 μC w odstępie 10 cm? Jaką siłę odczuwalny byłby ładunek testowy +2 μC w tym miejscu?

Zacznij od wyboru układu współrzędnych, w którym dodatnix-oś wskazuje w prawo i niech ładunek +6 μC leży w punkcie początkowym, podczas gdy ładunek +4 μC leży wx= 10 cm. Pole elektryczne netto będzie sumą wektorową pola ze względu na ładunek +6 μC (który będzie wskazywał w prawo) i pola ze względu na ładunek +4 μC (który będzie wskazywał w lewo):

Siła elektryczna odczuwana przez ładunek +2 μC wynosi wtedy:

​Przykład 2:Ładunek 0,3 μC jest na początku, a ładunek -0,5 μC jest umieszczony w x = 10 cm. Znajdź miejsce, w którym wypadkowe pole elektryczne wynosi 0.

Po pierwsze, możesz użyć rozumowania, aby stwierdzić, że to niemożliwepomiędzydwa ładunki, ponieważ pole netto między nimi będzie zawsze niezerowe i skierowane w prawo. To też nie może byćdobrzeładunku -0,5 μC, ponieważ pole netto będzie po lewej stronie i niezerowe. Dlatego musi być dolewoładunku 0,3 μC.

Pozwolićre= odległość na lewo od ładunku 0,3 μC, gdzie pole wynosi 0. Wyrażenie dla pola netto wrejest:

Teraz rozwiązujesz dlare,najpierw poprzez anulowaniek's:

Następnie mnożysz, aby pozbyć się mianowników, uprościć i zrobić wzór kwadratowy:

Rozwiązywanie równania kwadratowego dajere= 0,34 m.

Stąd pole netto wynosi zero w miejscu 0,34 m na lewo od ładunku 0,3 μC.