Spočiatku by sa koncept poľa mohol zdať trochu abstraktný. Čo je táto záhadná neviditeľná vec, ktorá vypĺňa priestor? Môže to znieť ako niečo priamo zo sci-fi!
Ale pole je v skutočnosti iba matematický konštrukt alebo spôsob priradenia vektora ku každej oblasti vesmíru, ktorý dáva určitý údaj o tom, aký silný alebo slabý je efekt v každom bode.
Definícia elektrického poľa
Rovnako ako objekty s hmotou vytvárajú gravitačné pole, aj objekty s elektrickým nábojom vytvárajú elektrické polia. Hodnota poľa v danom bode poskytuje informácie o tom, čo sa stane s iným objektom, keď sa tam umiestni. V prípade gravitačného poľa poskytuje informácie o tom, akú gravitačnú silu pocíti iná hmota.
Anelektrické poleje vektorové pole, ktoré priraďuje každému bodu v priestore vektor označujúci elektrostatickú silu na jednotku náboja v danom mieste. Akákoľvek nabíjaná položka generuje elektrické pole.
Jednotky SI spojené s elektrickým poľom sú Newtony na Coulomb (N / C). A veľkosť elektrického poľa v dôsledku náboja bodového zdrojaQje daný:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Kderje vzdialenosť od nábojaQa Coulombova konštantak = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Podľa konvencie smer elektrického poľa smeruje radiálne od kladných nábojov k negatívnym nábojom. Ďalším spôsobom premýšľania o tom je, že vždy ukazuje smer, ktorým by sa pozitívny testovací náboj pohyboval, keby sa tam umiestnil.
Pretože pole je sila na jednotku náboja, potom sila na bodový skúšobný nábojqv poliEby bol jednoducho produktomqaE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Čo je rovnaký výsledok ako v prípade Coulombovho zákona pre elektrickú silu.
Pole v ktoromkoľvek danom bode v dôsledku viacerých nábojov zdroja alebo rozloženia náboja je vektorový súčet poľa v dôsledku každého z nábojov jednotlivo. Napríklad ak sa pole produkované zdrojom nabijeQ1osamotený v danom bode je 3 N / C vpravo a pole produkované nábojom zdrojaQ2sám v rovnakom bode je 2 N / C vľavo, potom pole v tomto bode z dôvodu oboch poplatkov bude 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C vpravo.
Elektrické polia
Elektrické polia sú často zobrazené súvislými čiarami v priestore. Vektory polí sú dotyčnicové k siločarám v ktoromkoľvek danom bode a tieto čiary označujú cestu, ktorou by kladný náboj prešiel, keby sa v poli mohol voľne pohybovať.
Intenzita poľa alebo intenzita elektrického poľa je indikovaná rozstupom čiar. Pole je silnejšie v miestach, kde sú siločiary bližšie k sebe a slabšie v miestach, kde sú viac rozptýlené. Čiary elektrického poľa spojené s kladným bodovým nábojom vyzerajú takto:
Siločiary dipólu sa podobajú siločarám bodového náboja na vonkajších okrajoch dipólu, sú však veľmi odlišné medzi:
•••wikimedia commons
Môžu sa niekedy pretínať elektrické siločiary?
Pri odpovedi na túto otázku pouvažujte, čo by sa stalo, keby sa siločiary skutočne krížili.
Ako už bolo spomenuté vyššie, vektory polí sú vždy tangenciálne k siločarám. Ak sa pretnú dve siločiary, potom by sa v priesečníku nachádzali dva rôzne vektory polí, každý smerujúci iným smerom.
Ale to nemôže byť. V rovnakom bode vesmíru nemôžete mať dva rôzne vektory polí. To by naznačovalo, že kladný náboj umiestnený na tomto mieste by nejako putoval viac ako jedným smerom!
Takže odpoveď je nie, siločiary sa nemôžu krížiť.
Elektrické polia a vodiče
Vo vodiči sa elektróny môžu voľne pohybovať. Ak je vo vnútri vodiča elektrické pole, tieto náboje sa budú pohybovať v dôsledku elektrickej sily. Upozorňujeme, že akonáhle sa presunú, toto prerozdelenie poplatkov začne prispievať do poľa siete.
Elektróny sa budú naďalej pohybovať, pokiaľ vo vodiči existuje nenulové pole. Pohybujú sa preto, kým sa nerozdelia takým spôsobom, aby zrušili vnútorné pole.
Z podobného dôvodu akákoľvek sieťová náplň umiestnená na vodiči leží vždy na povrchu vodiča. Je to preto, lebo podobné poplatky sa odrazia a rovnomerne sa rozdelia rovnako rovnomerne a ďaleko odtiaľto je to možné, každý prispieva do čistého vnútorného poľa takým spôsobom, že sa ich účinky navzájom rušia von.
Za statických podmienok je teda pole vo vnútri vodiča vždy nulové.
Táto vlastnosť vodičov umožňujeelektrické tienenie. To znamená, že voľné elektróny vo vodiči sa budú vždy distribuovať tak, aby rušili pole vo vnútri, potom bude všetko, čo sa nachádza vo vodivej sieti, chránené pred vonkajšou elektrickou energiou sily.
Upozorňujeme, že čiary elektrického poľa vždy vstupujú a opúšťajú povrch vodiča kolmo. Je to tak preto, lebo akákoľvek paralelná zložka poľa by spôsobila pohyb voľných elektrónov na povrchu, čo budú robiť, kým v tomto smere nebude už žiadne čisté pole.
Príklady elektrického poľa
Príklad 1:Aké je elektrické pole na pol ceste medzi nábojom +6 μC a nábojom +4 μC oddelené 10 cm? Akú silu by v tomto mieste pocítil testovací náboj +2 μC?
Začnite výberom súradnicového systému, kde je pozitívnyX-osa ukazuje doprava a nechajte náboj +6 μC ležať na začiatku, zatiaľ čo náboj +4 μC leží na začiatkuX= 10 cm. Čisté elektrické pole bude vektorovým súčtom poľa v dôsledku náboja +6 μC (ktorý bude smerovať doprava) a poľa v dôsledku náboja +4 μC (ktorý bude smerovať doľava):
E = \ frac {(8,99 \ krát 10 ^ 9) (6 \ krát 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ krát 10 ^ 9) (4 \ krát 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ krát10 ^ 6 \ text {N / C}
Elektrická sila pocítená nábojom +2 μC je potom:
F = qE = (2 \ times10 ^ {- 6}) (7,19 \ times10 ^ 6) = 14,4 \ text {N}
Príklad 2:Náboj 0,3 μC je na začiatku a náboj -0,5 μC je umiestnený na x = 10 cm. Nájdite miesto, kde je elektrické pole v sieti 0.
Najprv môžete pomocou uvažovania zistiť, že to tak nie jemedzitieto dva náboje, pretože sieťové pole medzi nimi bude vždy nenulové a bude smerovať doprava. Tiež to nemôže byťsprávnynáboja -,5 μC, pretože čisté pole by bolo vľavo a nenulové. Preto to musí byť prevľavonáboja 0,3 μC.
Poďmed= vzdialenosť vľavo od náboja 0,3 μC, kde je pole 0. Výraz pre čisté pole nadje:
E = - \ frac {k (0,3 \ text {μC})}} {d ^ 2} + \ frac {k (0,5 \ text {μC})}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Teraz vyriešite pred,najskôr zrušenímk 's:
- \ frac {0,3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0,5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Potom sa množte, aby ste sa zbavili menovateľov, zjednodušili a vytvorili kvadratický vzorec:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6d - 0,03 = 0
Riešenie kvadratickej dávad= 0,34 m.
Čisté pole je teda nulové v mieste 0,34 m naľavo od náboja 0,3 μC.