Sprva se lahko pojem polja zdi nekoliko abstrakten. Kaj je to skrivnostno nevidno, ki zapolnjuje prostor? Sliši se kot nekaj naravnost iz znanstvene fantastike!
Toda polje je v resnici le matematični konstrukt ali način dodeljevanja vektorja vsakemu prostoru, kar kaže na to, kako močan ali šibek učinek ima posamezna točka.
Opredelitev električnega polja
Tako kot predmeti z maso ustvarjajo gravitacijsko polje, tudi predmeti z električnim nabojem ustvarjajo električna polja. Vrednost polja na kateri koli točki daje informacije o tem, kaj se bo zgodilo z drugim predmetom, ko ga boste postavili tja. V primeru gravitacijskega polja podaja informacije o tem, kakšno gravitacijsko silo bo začutila druga masa.
Anelektrično poljeje vektorsko polje, ki vsaki točki v prostoru dodeli vektor, ki kaže elektrostatično silo na enoto naboja na tej lokaciji. Vsak predmet z nabojem ustvarja električno polje.
Enote SI, povezane z električnim poljem, so Newtoni na Coulomb (N / C). In velikost električnega polja zaradi točkovnega nabojaVpodaja:
E = \ frac {kQ} {r ^ 2}
Kjerje oddaljenost od nabojaVin Coulomova konstantak = 8.99 × 109 Nm2/ C2.
Po dogovoru smer električnega polja kaže radialno stran od pozitivnih in proti negativnim nabojem. Drug način razmišljanja o tem je, da vedno kaže v smer, da bi se pozitivni testni naboj premaknil, če bi ga tja postavili.
Ker je polje sila na enoto naboja, potem je sila na točkovni preskusni nabojqna poljuEbi bil preprosto produktqinE:
F = qE = \ frac {kQq} {r ^ 2}
Kar je enak rezultat, ki ga za električno silo daje Coulombov zakon.
Polje na kateri koli točki zaradi več izvornih nabojev ali porazdelitve naboja je vektorska vsota polja zaradi vsakega od nabojev posebej. Na primer, če je polje proizvedeno z izvornim polnjenjemV1sam na določeni točki je 3 N / C na desni in polje, ki ga ustvari izvorni nabojV2sam na isti točki je 2 N / C levo, potem bi bilo polje na tej točki zaradi obeh nabojev 3 N / C - 2 N / C = 1 N / C desno.
Linije električnega polja
Pogosto so električna polja upodobljena z neprekinjenimi črtami v vesolju. Vektorji polja se na kateri koli točki dotikajo poljskih linij in te črte označujejo pot, po kateri bi pozitiven naboj potoval, če bi se lahko prosto gibal po polju.
Intenzivnost polja ali jakost električnega polja je označena z razmikom vrstic. Polje je močnejše tam, kjer so poljske črte bližje skupaj in šibkejše, kjer so bolj razprte. Linije električnega polja, povezane s pozitivnim točkovnim nabojem, so videti takole:
Poljske črte dipola so podobne točkovnim nabojem na zunanjih robovih dipola, vendar se med seboj zelo razlikujejo:
•••wikimedia commons
Ali se lahko električne poljske črte kdaj prekrižajo?
Če želite odgovoriti na to vprašanje, razmislite, kaj bi se zgodilo, če bi se črte polja prečkale.
Kot smo že omenili, so vektorji polja vedno dotični na poljske črte. Če se prečkata dve liniji polja, bi bila na točki presečišča dva različna vektorja polja, vsaka usmerjena v drugo smer.
Ampak to ne more biti. Ne morete imeti dveh različnih vektorjev polja na isti točki v vesolju. To bi nakazovalo, da bi pozitivni naboj na tej lokaciji nekako potoval v več smeri!
Odgovor je torej ne, črte polja ne morejo prečkati.
Električna polja in vodniki
V prevodniku se elektroni prosto gibljejo. Če je znotraj vodnika prisotno električno polje, se bodo ti naboji zaradi električne sile premikali. Ko se premaknejo, bo ta prerazporeditev stroškov prispevala k neto polju.
Elektroni se bodo še naprej gibali, dokler znotraj vodnika obstaja nično polje. Zato se premikajo, dokler se ne razdelijo tako, da prekličejo notranje polje.
Iz podobnega razloga je vsak neto naboj, nameščen na vodniku, vedno na površini vodnika. To je zato, ker se bodo podobne obtožbe odbile, enakomerno se bodo porazdelile tako enakomerno in daleč kot vsak prispeva k neto notranjemu polju tako, da se njihovi učinki medsebojno prekličejo ven
V statičnih pogojih je torej polje znotraj vodnika vedno nič.
Ta lastnost vodnikov omogočaelektrični ščit. To pomeni, ker se bodo prosti elektroni v prevodniku vedno razdelili sami, tako da bodo preklicali polja znotraj, potem bo vse, kar je v prevodni mreži, zaščiteno pred zunanjim električnim tokom sile.
Upoštevajte, da vodniki električnega polja vedno vstopajo in zapuščajo površino vodnika pravokotno. To je zato, ker bi katera koli vzporedna komponenta polja povzročila gibanje prostih elektronov na površini, kar bodo počeli, dokler v tej smeri ne bo več mrežnega polja.
Primeri električnega polja
Primer 1:Kakšno je električno polje na pol poti med nabojem +6 μC in nabojem +4 μC, ločenim za 10 cm? Kakšno silo bi občutil preskusni naboj +2 μC na tem mestu?
Začnite z izbiro koordinatnega sistema, kjer je pozitivnox-os kaže desno in pustite, da +6 μC naboj leži na izvoru, medtem ko naboj +4 μC leži nax= 10 cm. Neto električno polje bo vektorska vsota polja zaradi +6 μC naboja (ki bo usmerjen v desno) in polje zaradi +4 μC naboja (ki bo usmerjeno v levo):
E = \ frac {(8,99 \ krat 10 ^ 9) (6 \ krat 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} - \ frac {(8,99 \ krat 10 ^ 9) (4 \ krat 10 ^ {- 6})} {0,05 ^ 2} = 7,19 \ krat10 ^ 6 \ besedilo {N / C}
Električna sila, ki jo občuti naboj +2 μC, je potem:
F = qE = (2 \ times10 ^ {- 6}) (7.19 \ times10 ^ 6) = 14.4 \ besedilo {N}
2. primer:V izhodišču je naboj 0,3 μC, naboj = -0,5 μC pa je postavljen na x = 10 cm. Poiščite mesto, kjer je neto električno polje 0.
Najprej lahko z obrazložitvijo ugotovite, da tega ne more bitimedoba naboja, ker bo neto polje med njima vedno nično in usmerjeno v desno. Prav tako ne more bitipravnaboja -,5 μC, ker bi bilo neto polje levo in ne ničlo. Zato mora bitilevo0,3 μC naboja.
Pustitid= razdalja levo od 0,3 μC naboja, kjer je polje 0. Izraz za neto polje pridje:
E = - \ frac {k (0,3 \ text {μC})} {d ^ 2} + \ frac {k (0,5 \ text {μC})} {(d + .1) ^ 2} = 0
Zdaj rešite zad,najprej z ukinitvijok 's:
- \ frac {0,3 \ text {μC}} {d ^ 2} + \ frac {0,5 \ text {μC}} {(d + .1) ^ 2} = 0
Nato pomnožite, da se znebite imenovalcev, poenostavite in naredite kvadratno formulo:
5d ^ 2 - 3 (0,1 + d) ^ 2 = 2d ^ 2 - 0,6 d - 0,03 = 0
Reševanje kvadratnega dajed= 0,34 m.
Zato je neto polje na mestu 0,34 m levo od 0,3 μC naboja nič.