Χαρακτηριστικά ηλεκτρικού πεδίου

Το άρθρο περιγράφει τα κύρια χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού πεδίου: δυναμικό, τάση και ένταση.

Τι είναι ηλεκτρικό πεδίο

Για να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό πεδίο, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα ηλεκτρικό φορτίο. Οι ιδιότητες του χώρου γύρω από τα φορτία (φορτισμένα σώματα) διαφέρουν από τις ιδιότητες του χώρου στον οποίο δεν υπάρχουν φορτία. Ταυτόχρονα, οι ιδιότητες του χώρου, όταν εισάγεται ηλεκτρικό φορτίο σε αυτό, δεν αλλάζουν αμέσως: η αλλαγή ξεκινά από το φορτίο και εξαπλώνεται με μια ορισμένη ταχύτητα από το ένα σημείο του χώρου στο άλλο.

Σε ένα χώρο που περιέχει ένα φορτίο, εκδηλώνονται μηχανικές δυνάμεις που δρουν σε άλλα φορτία που εισάγονται σε αυτόν τον χώρο. Αυτές οι δυνάμεις δεν είναι το αποτέλεσμα της άμεσης δράσης ενός φορτίου σε ένα άλλο, αλλά της δράσης μέσω ενός ποιοτικά αλλαγμένου μέσου.

Ο χώρος γύρω από τα ηλεκτρικά φορτία, στον οποίο εκδηλώνονται οι δυνάμεις που επιδρούν στα ηλεκτρικά φορτία που εισάγονται σε αυτό, ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο.

Ένα φορτίο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο κινείται προς την κατεύθυνση της δύναμης που ασκείται σε αυτό από την πλευρά του πεδίου.Η κατάσταση ηρεμίας ενός τέτοιου φορτίου είναι δυνατή μόνο όταν ασκηθεί κάποια εξωτερική (εξωτερική) δύναμη στο φορτίο που εξισορροπεί την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου.

Μόλις διαταραχθεί η ισορροπία μεταξύ της εξωτερικής δύναμης και της έντασης του πεδίου, το φορτίο αρχίζει να κινείται ξανά. Η κατεύθυνση της κίνησής του συμπίπτει πάντα με την κατεύθυνση της μεγαλύτερης δύναμης.

Για λόγους σαφήνειας, το ηλεκτρικό πεδίο αντιπροσωπεύεται συνήθως από τις λεγόμενες γραμμές ηλεκτρικού πεδίου. Αυτές οι γραμμές συμπίπτουν με την κατεύθυνση των δυνάμεων που δρουν στο ηλεκτρικό πεδίο. Ταυτόχρονα, συμφωνήθηκε να χαράσσονται τόσες πολλές γραμμές που ο αριθμός τους για κάθε 1 cm2 του εμβαδού που εγκαθίσταται κάθετα στις γραμμές να είναι ανάλογος της έντασης του πεδίου στο αντίστοιχο σημείο.

Η κατεύθυνση του πεδίου συνήθως θεωρείται ότι είναι η κατεύθυνση της έντασης του πεδίου που δρα σε ένα θετικό φορτίο που τοποθετείται σε ένα δεδομένο πεδίο. Τα θετικά φορτία απωθούνται από θετικά φορτία και έλκονται από αρνητικά φορτία. Επομένως, το πεδίο κατευθύνεται από θετικά προς αρνητικά φορτία.

Η κατεύθυνση των γραμμών δύναμης υποδεικνύεται στα σχέδια με βέλη. Η επιστήμη έχει αποδείξει ότι οι γραμμές δύναμης ενός ηλεκτρικού πεδίου έχουν αρχή και τέλος, δηλαδή δεν κλείνονται από μόνες τους. Με βάση την υποτιθέμενη κατεύθυνση του πεδίου, διαπιστώνουμε ότι οι γραμμές δύναμης ξεκινούν με θετικά φορτία (θετικά φορτισμένα σώματα) και τελειώνουν με αρνητικά.

Ρύζι. 1. Παραδείγματα εικόνας ηλεκτρικού πεδίου που χρησιμοποιεί γραμμές δύναμης: α — ηλεκτρικό πεδίο με ένα μόνο θετικό φορτίο, β — ηλεκτρικό πεδίο με ένα μόνο αρνητικό φορτίο, γ — ηλεκτρικό πεδίο δύο αντίθετων φορτίων, d — an ηλεκτρικό πεδίο δύο όμοιων φορτίων

Στο σχ.Το 1 δείχνει παραδείγματα ηλεκτρικού πεδίου που απεικονίζεται χρησιμοποιώντας γραμμές δύναμης. Πρέπει να θυμόμαστε ότι οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου είναι μόνο ένας τρόπος γραφικής αναπαράστασης ενός πεδίου. Δεν υπάρχει μεγαλύτερη ουσία στην έννοια της γραμμής δύναμης εδώ.

ο νόμος του Κουλόμπ

Η ισχύς της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο φορτίων εξαρτάται από το μέγεθος και την αμοιβαία διάταξη των φορτίων, καθώς και από τις φυσικές ιδιότητες του περιβάλλοντος τους.

Για δύο ηλεκτρισμένα φυσικά σώματα, οι διαστάσεις των οποίων είναι ασήμαντες σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ των σωμάτων, η επούλωση της αλληλεπίδρασης προσδιορίζεται μαθηματικά ως εξής:

όπου F είναι η δύναμη αλληλεπίδρασης φορτίων σε νιούτον (N), k — απόσταση μεταξύ φορτίων σε μέτρα (m), Q1 και Q2 — μέγεθος ηλεκτρικών φορτίων σε κουλόμπ (k), k είναι ο συντελεστής αναλογικότητας, η τιμή του οποίου εξαρτάται από τις ιδιότητες του μέσου που περιβάλλει τα φορτία.

Ο παραπάνω τύπος έχει ως εξής: η δύναμη αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο σημειακών φορτίων είναι ευθέως ανάλογη με το γινόμενο των μεγεθών αυτών των φορτίων και αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους (νόμος Coulomb).

Για να προσδιορίσετε τον παράγοντα αναλογικότητας k, χρησιμοποιήστε την έκφραση k = 1 /(4πεεΟ).

Δυναμικό ηλεκτρικού πεδίου

Ένα ηλεκτρικό πεδίο μεταδίδει πάντα κίνηση σε ένα φορτίο εάν οι δυνάμεις πεδίου που δρουν στο φορτίο δεν εξισορροπούνται από εξωτερικές δυνάμεις. Αυτό σημαίνει ότι το ηλεκτρικό πεδίο έχει δυναμική ενέργεια, δηλαδή την ικανότητα να κάνει εργασία.

Μετακινώντας ένα φορτίο από ένα σημείο του χώρου στο άλλο, το ηλεκτρικό πεδίο πράγματι λειτουργεί, με αποτέλεσμα να μειώνεται η παροχή δυναμικής ενέργειας στο πεδίο.Εάν ένα φορτίο κινείται σε ένα ηλεκτρικό πεδίο υπό τη δράση κάποιας εξωτερικής δύναμης που ενεργεί αντίθετα από τις δυνάμεις του πεδίου, τότε το έργο δεν γίνεται από τις δυνάμεις του ηλεκτρικού πεδίου, αλλά από τις εξωτερικές δυνάμεις. Σε αυτή την περίπτωση, η δυναμική ενέργεια του πεδίου όχι μόνο δεν μειώνεται, αλλά, αντίθετα, αυξάνεται.

Το έργο που γίνεται από μια εξωτερική δύναμη που κινεί ένα φορτίο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι ανάλογο με το μέγεθος των δυνάμεων πεδίου που αντιτίθενται σε αυτήν την κίνηση. Το έργο που γίνεται σε αυτή την περίπτωση από εξωτερικές δυνάμεις δαπανάται εξ ολοκλήρου στην αύξηση της δυναμικής ενέργειας του πεδίου. Για να χαρακτηριστεί το πεδίο από την πλευρά της δυναμικής του ενέργειας, καλείται μια ποσότητα που ονομάζεται δυναμικό ηλεκτρικού πεδίου.

Η ουσία αυτής της ποσότητας είναι η εξής. Ας υποθέσουμε ότι το θετικό φορτίο βρίσκεται εκτός του υπό εξέταση ηλεκτρικού πεδίου. Αυτό σημαίνει ότι το πεδίο πρακτικά δεν έχει καμία επίδραση στη δεδομένη χρέωση. Αφήστε μια εξωτερική δύναμη να εισάγει αυτό το φορτίο στο ηλεκτρικό πεδίο και, ξεπερνώντας την αντίσταση στην κίνηση που ασκείται από τις δυνάμεις του πεδίου, μετακινήστε το φορτίο σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου. Το έργο που επιτελείται από τη δύναμη, και επομένως το ποσό κατά το οποίο έχει αυξηθεί η δυναμική ενέργεια του πεδίου, εξαρτάται εξ ολοκλήρου από τις ιδιότητες του πεδίου. Επομένως, αυτό το έργο μπορεί να χαρακτηρίσει την ενέργεια ενός δεδομένου ηλεκτρικού πεδίου.

Η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου που σχετίζεται με μια μονάδα θετικού φορτίου που τοποθετείται σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου ονομάζεται δυναμικό πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο.

Εάν το δυναμικό συμβολίζεται με το γράμμα φ, το φορτίο με το γράμμα q και το έργο που δαπανάται για τη μετακίνηση του φορτίου κατά W, τότε το δυναμικό πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο θα εκφράζεται με τον τύπο φ = W / q.

Συνεπάγεται ότι το δυναμικό ηλεκτρικού πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο είναι αριθμητικά ίσο με το έργο που εκτελείται από μια εξωτερική δύναμη όταν ένα μοναδιαίο θετικό φορτίο κινείται έξω από το πεδίο προς ένα δεδομένο σημείο. Το δυναμικό πεδίου μετράται σε βολτ (V). Εάν κατά τη μεταφορά ενός κουλόμπ ηλεκτρικής ενέργειας εκτός πεδίου σε ένα δεδομένο σημείο, οι εξωτερικές δυνάμεις έχουν κάνει έργο ίσο με ένα τζάουλ, τότε το δυναμικό σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου είναι ίσο με ένα βολτ: 1 βολτ = 1 τζάουλ / 1 κουλόμβ

Ένταση ηλεκτρικού πεδίου

Σε οποιοδήποτε ηλεκτρικό πεδίο, τα θετικά φορτία μετακινούνται από σημεία υψηλότερου δυναμικού σε σημεία χαμηλότερου δυναμικού. Αντίθετα, τα αρνητικά φορτία μετακινούνται από σημεία χαμηλότερου δυναμικού σε σημεία υψηλότερου δυναμικού. Και στις δύο περιπτώσεις, η εργασία γίνεται σε βάρος της δυναμικής ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου.

Αν γνωρίζουμε αυτό το έργο, δηλαδή το ποσό κατά το οποίο η δυναμική ενέργεια του πεδίου έχει μειωθεί όταν το θετικό φορτίο q μετακινείται από το σημείο 1 του πεδίου στο σημείο 2, τότε είναι εύκολο να βρούμε την τάση μεταξύ αυτών των σημείων του πεδίο U1,2:

U1,2 = A / q,

όπου Α είναι το έργο που γίνεται από τις δυνάμεις του πεδίου όταν το φορτίο q μεταφέρεται από το σημείο 1 στο σημείο 2. Η τάση μεταξύ δύο σημείων του ηλεκτρικού πεδίου είναι αριθμητικά ίση με το έργο που γίνεται από το μηδέν για τη μεταφορά ενός θετικού φορτίου μονάδας από ένα σημείο στο χωράφι σε άλλο.

Όπως φαίνεται, η τάση μεταξύ δύο σημείων του πεδίου και η διαφορά δυναμικού μεταξύ των ίδιων σημείων αντιπροσωπεύουν την ίδια φυσική μονάδα… Επομένως, οι όροι τάση και διαφορά δυναμικού είναι οι ίδιοι. Η τάση μετριέται σε βολτ (V).

Η τάση μεταξύ δύο σημείων είναι ίση με ένα βολτ εάν, κατά τη μεταφορά ενός κουλόμπ ηλεκτρικής ενέργειας από ένα σημείο του πεδίου σε άλλο, οι δυνάμεις του πεδίου λειτουργούν ίσες με ένα τζάουλ: 1 βολτ = 1 τζάουλ / 1 κουλόμπ

Ένταση ηλεκτρικού πεδίου

Από το νόμο του Κουλόμπ προκύπτει ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου ενός δεδομένου φορτίου που ενεργεί σε ένα άλλο φορτίο που τοποθετείται σε αυτό το πεδίο δεν είναι η ίδια σε όλα τα σημεία του πεδίου. Το ηλεκτρικό πεδίο σε οποιοδήποτε σημείο μπορεί να χαρακτηριστεί από το μέγεθος της δύναμης με την οποία επιδρά σε ένα μοναδιαίο θετικό φορτίο που τοποθετείται σε ένα δεδομένο σημείο.

Γνωρίζοντας αυτή την τιμή, μπορεί να προσδιοριστεί η δύναμη F που ασκεί σε κάθε φορτίο Q. Μπορείτε να γράψετε ότι F = Q x E, όπου F είναι η δύναμη που ασκεί το φορτίο Q που τοποθετείται σε ένα σημείο του πεδίου από το ηλεκτρικό πεδίο, E είναι η δύναμη που ασκείται σε ένα μοναδιαίο θετικό φορτίο που τοποθετείται στο ίδιο σημείο του πεδίου. Η ποσότητα Ε αριθμητικά ίση με τη δύναμη που υφίσταται ένα θετικό φορτίο μονάδας σε ένα δεδομένο σημείο του πεδίου ονομάζεται ένταση ηλεκτρικού πεδίου.