Elektrik Alan: Tanım, Birimler, Formül, Doğrular, Yoğunluk (Örneklerle)

İlk başta, alan kavramı biraz soyut görünebilir. Uzayı dolduran bu gizemli görünmez şey nedir? Kulağa bilim kurgudan fırlamış gibi gelebilir!

Ancak bir alan gerçekten sadece matematiksel bir yapıdır veya uzayın her bölgesine bir etkinin her noktada ne kadar güçlü veya zayıf olduğuna dair bazı göstergeler veren bir vektör atamanın bir yoludur.

Kütlesi olan cisimlerin yerçekimi alanı oluşturması gibi, elektrik yükü olan cisimler de elektrik alanları oluşturur. Alanın herhangi bir noktadaki değeri, oraya yerleştirildiğinde başka bir nesneye ne olacağı hakkında size bilgi verir. Yerçekimi alanı söz konusu olduğunda, başka bir kütlenin hissedeceği yerçekimi kuvveti hakkında bilgi verir.

birElektrik alanıuzaydaki her noktaya o konumdaki birim yük başına elektrostatik kuvveti gösteren bir vektör atayan bir vektör alanıdır. Yüklü herhangi bir nesne bir elektrik alanı oluşturur.

Elektrik alanıyla ilişkili SI birimleri, Coulomb (N/C) başına Newton'dur. Ve bir nokta kaynak yükünden kaynaklanan elektrik alanının büyüklüğüStarafından verilir:

Nerederşarjdan uzaklıkSve Coulomb sabitik​ = 8.99 × 10⁹ Nm²/C².

Geleneksel olarak, elektrik alanın yönü radyal olarak pozitif yüklerden uzağa ve negatif yüklere doğru işaret eder. Bunu düşünmenin başka bir yolu, her zaman pozitif bir test yükünün oraya yerleştirilirse hareket edeceği yönü göstermesidir.

Alan, birim yük başına kuvvet olduğundan, nokta test yükü üzerindeki kuvvetqbir alandaEbasitçe ürünü olurduqveE​:

Bu, Coulomb Yasasının elektrik kuvveti için verdiği sonucun aynısıdır.

Birden çok kaynak yükü veya bir yük dağılımı nedeniyle herhangi bir noktadaki alan, ücretlerin her birine ayrı ayrı bağlı alanın vektör toplamıdır. Örneğin, kaynak yükü tarafından üretilen alanS₁belirli bir noktada tek başına sağda 3 N/C ve bir kaynak yükü tarafından üretilen alanS₂aynı noktada tek başına sola 2 N/C ise, o zaman her iki yükten dolayı o noktadaki alan 3 N/K - 2 N/K = 1 N/C sağa olur.

Genellikle elektrik alanları uzayda sürekli çizgilerle gösterilir. Alan vektörleri, herhangi bir noktada alan çizgilerine teğettir ve bu çizgiler, alanda serbestçe hareket etmesine izin verilirse, pozitif bir yükün gideceği yolu gösterir.

Alan yoğunluğu veya elektrik alan şiddeti, çizgilerin aralıkları ile gösterilir. Alan çizgilerinin birbirine daha yakın olduğu yerlerde alan daha güçlü, daha fazla yayıldığı yerlerde ise daha zayıftır. Pozitif bir nokta yüküyle ilişkili elektrik alan çizgileri aşağıdaki gibi görünür:

Bir dipolün alan çizgileri, bir dipolün dış kenarlarındaki bir nokta yükünün çizgilerine benzer, ancak aralarında çok farklıdır:

•••wikimedia müşterekleri

Bu soruyu cevaplamak için alan çizgileri kesişirse ne olacağını düşünün.

Daha önce belirtildiği gibi, alan vektörleri her zaman alan çizgilerine teğettir. Eğer iki alan çizgisi kesişirse, kesişme noktasında, her biri farklı bir yönü gösteren iki farklı alan vektörü olacaktır.

Ama bu olamaz. Uzayda aynı noktada iki farklı alan vektörünüz olamaz. Bu, bu konuma yerleştirilen bir pozitif yükün bir şekilde birden fazla yönde hareket edeceğini gösterir!

Yani cevap hayır, alan çizgileri geçemez.

Bir iletkende elektronlar hareket etmekte serbesttir. Bir iletkenin içinde bir elektrik alanı varsa, bu yükler elektrik kuvveti nedeniyle hareket edecektir. Hareket ettiklerinde, bu ücretlerin yeniden dağılımının net alana katkıda bulunmaya başlayacağını unutmayın.

İletken içinde sıfırdan farklı bir alan olduğu sürece elektronlar hareket etmeye devam edecektir. Bu nedenle, iç alanı iptal edecek şekilde kendilerini dağıtana kadar hareket ederler.

Benzer bir nedenle, bir iletken üzerine yerleştirilen herhangi bir net yük, her zaman iletkenin yüzeyinde bulunur. Bunun nedeni, benzer yükler birbirini itecek, kendilerini eşit ve uzak bir şekilde dağıtacaklardır. olası, her biri net iç alana, etkileri birbirini iptal edecek şekilde katkıda bulunur. dışarı.

Bu nedenle statik koşullar altında bir iletkenin içindeki alan her zaman sıfırdır.

İletkenlerin bu özelliği,elektrik koruyucu. Yani, bir iletkendeki serbest elektronlar her zaman kendilerini dağıtacakları için içindeki alan, o zaman iletken bir ağ içinde bulunan her şey harici elektrikten korunacaktır. kuvvetler.

Elektrik alan çizgilerinin her zaman bir iletkenin yüzeyine dik olarak girip çıktığını unutmayın. Bunun nedeni, alanın herhangi bir paralel bileşeninin yüzeydeki serbest elektronların hareket etmesine neden olacağı ve bu yönde daha fazla net alan kalmayana kadar yapacaklarıdır.

​Örnek 1:+6 μC'lik bir yük ile +4 μC'lik bir yük arasındaki orta noktada 10 cm ile ayrılmış elektrik alanı nedir? +2 μC'lik bir test yükü bu konumda nasıl bir kuvvet hisseder?

pozitif olan bir koordinat sistemi seçerek başlayın.x-ekseni sağa işaret eder ve +4 μC yükü orijindeyken +6 μC yükü orijinde olsun.x= 10 cm. Net elektrik alanı, +6 μC yükten kaynaklanan alanın (sağa işaret edecek) ve +4 μC yükten kaynaklanan alanın (sola işaret edecek) vektör toplamı olacaktır:

+2 μC yükü tarafından hissedilen elektrik kuvveti şu şekildedir:

​Örnek 2:0.3 μC'lik bir yük orijindedir ve x = 10 cm'de -0.5μC'lik bir yük yerleştirilmiştir. Net elektrik alanının 0 olduğu bir yer bulun.

İlk olarak, bunun olamayacağını belirlemek için akıl yürütmeyi kullanabilirsiniz.arasındaiki yük çünkü aralarındaki net alan her zaman sıfırdan farklı olacak ve sağı gösterecek. Ayrıca olamazsağ-.5 μC yükün çünkü net alan solda ve sıfırdan farklı olacaktır. Bu nedenle,ayrıldı0,3 μC şarj.

İzin Vermekd= alanın 0 olduğu 0,3 μC yükünün soluna olan mesafe. net alan için ifadeddır-dir:

şimdi sen çözg,önce iptal ederekk's:

Sonra paydalardan kurtulmak için çarparsınız, sadeleştirirsiniz ve ikinci dereceden bir formül yaparsınız:

İkinci dereceden çözme verird= 0.34 m.

Bu nedenle, 0,3 μC yükünün 0,34 m solundaki bir konumda net alan sıfırdır.