Charakteristiky elektrického poľa
Článok popisuje hlavné charakteristiky elektrického poľa: potenciál, napätie a intenzitu.
Čo je elektrické pole
Na vytvorenie elektrického poľa je potrebné vytvoriť elektrický náboj. Vlastnosti priestoru okolo nábojov (nabitých telies) sa líšia od vlastností priestoru, v ktorom sa náboje nenachádzajú. Zároveň sa vlastnosti priestoru, keď sa do neho zavedie elektrický náboj, nemenia okamžite: zmena začína nábojom a šíri sa určitou rýchlosťou z jedného bodu v priestore do druhého.
V priestore obsahujúcom náboj sa prejavujú mechanické sily pôsobiace na iné náboje vnesené do tohto priestoru. Tieto sily nie sú výsledkom priameho pôsobenia jedného náboja na druhý, ale pôsobenia prostredníctvom kvalitatívne zmeneného média.
Priestor okolo elektrických nábojov, v ktorom sa prejavujú sily, ktoré pôsobia na doň vnesené elektrické náboje, sa nazýva elektrické pole.
Náboj v elektrickom poli sa pohybuje v smere sily, ktorá naň pôsobí zo strany poľa.Stav pokoja takéhoto náboja je možný len vtedy, keď na náboj pôsobí nejaká vonkajšia (vonkajšia) sila, ktorá vyrovnáva silu elektrického poľa.
Akonáhle sa naruší rovnováha medzi vonkajšou silou a intenzitou poľa, náboj sa opäť začne pohybovať. Smer jeho pohybu sa vždy zhoduje so smerom väčšej sily.
Pre názornosť je elektrické pole zvyčajne reprezentované takzvanými elektrickými siločiarami. Tieto čiary sa zhodujú so smerom síl pôsobiacich v elektrickom poli. Zároveň bolo dohodnuté nakresliť toľko čiar, aby ich počet na každý 1 cm2 plochy inštalovanej kolmo na čiary bol úmerný sile poľa v príslušnom bode.
Smer poľa sa zvyčajne považuje za smer intenzity poľa pôsobiaceho na kladný náboj umiestnený v danom poli. Pozitívne náboje sú odpudzované kladnými nábojmi a priťahované k záporným nábojom. Preto je pole nasmerované od kladných k záporným nábojom.
Smer siločiar je na výkresoch vyznačený šípkami. Veda dokázala, že siločiary elektrického poľa majú začiatok a koniec, to znamená, že samy o sebe nie sú uzavreté. Na základe predpokladaného smeru poľa zistíme, že siločiary začínajú kladnými nábojmi (kladne nabité telesá) a končia zápornými.
Ryža. 1. Príklady zobrazenia elektrického poľa pomocou siločiar: a — elektrické pole s jedným kladným nábojom, b — elektrické pole s jedným záporným nábojom, c — elektrické pole s dvoma opačnými nábojmi, d — an elektrické pole dvoch podobných nábojov
Na obr.1 znázorňuje príklady elektrického poľa znázorneného pomocou siločiar. Je potrebné mať na pamäti, že siločiary elektrického poľa sú iba spôsobom grafického znázornenia poľa. Koncept siločiary tu nemá väčšiu podstatu.
Coulombov zákon
Sila interakcie dvoch nábojov závisí od veľkosti a vzájomného usporiadania nábojov, ako aj od fyzikálnych vlastností ich prostredia.
Pre dve elektrifikované fyzické telá, ktorých rozmery sú nevýznamné v porovnaní so vzdialenosťou medzi telami, sa uzdravenie interakcie určí matematicky takto:
kde F je sila vzájomného pôsobenia nábojov v newtonoch (N), k — vzdialenosť medzi nábojmi v metroch (m), Q1 a Q2 — veľkosť elektrických nábojov v coulombách (k), k je koeficient úmernosti, ktorého hodnota závisí od vlastností prostredia obklopujúceho náboje.
Vyššie uvedený vzorec znie takto: sila interakcie medzi dvoma bodovými nábojmi je priamo úmerná súčinu veľkostí týchto nábojov a nepriamo úmerná druhej mocnine vzdialenosti medzi nimi (Coulombov zákon).
Na určenie súčiniteľa úmernosti k použite výraz k = 1 /(4πεεО).
Potenciál elektrického poľa
Elektrické pole udeľuje náboju pohyb vždy, ak sily poľa pôsobiace na náboj nie sú vyvážené žiadnymi vonkajšími silami. To znamená, že elektrické pole má potenciálnu energiu, to znamená schopnosť vykonávať prácu.
Presunutím náboja z jedného bodu v priestore do druhého elektrické pole skutočne funguje, v dôsledku čoho klesá dodávka potenciálnej energie do poľa.Ak sa náboj pohybuje v elektrickom poli pôsobením nejakej vonkajšej sily pôsobiacej opačne k silám poľa, potom prácu nevykonávajú sily elektrického poľa, ale vonkajšie sily. V tomto prípade potenciálna energia poľa nielenže neklesá, ale naopak rastie.
Práca vykonaná vonkajšou silou, ktorá pohybuje nábojom v elektrickom poli, je úmerná veľkosti síl poľa, ktoré bránia tomuto pohybu. Práca vykonaná v tomto prípade vonkajšími silami je úplne vynaložená na zvýšenie potenciálnej energie poľa. Na charakterizáciu poľa zo strany jeho potenciálnej energie sa nazýva veličina nazývaná potenciál elektrického poľa.
Podstata tohto množstva je nasledovná. Predpokladajme, že kladný náboj je mimo uvažovaného elektrického poľa. To znamená, že pole nemá prakticky žiadny vplyv na daný náboj. Nech vonkajšia sila zavedie tento náboj do elektrického poľa a po prekonaní odporu voči pohybu, ktorý pôsobia sily poľa, presunie náboj do daného bodu v poli. Práca vykonaná silou, a teda množstvo, o ktoré sa potenciálna energia poľa zvýšila, úplne závisí od vlastností poľa. Preto táto práca môže charakterizovať energiu daného elektrického poľa.
Energia elektrického poľa vzťahujúca sa na jednotku kladného náboja umiestnenú v danom bode poľa sa nazýva potenciál poľa v danom bode.
Ak je potenciál označený písmenom φ, náboj písmenom q a práca vynaložená na posunutie náboja o W, potom potenciál poľa v danom bode bude vyjadrený vzorcom φ = W / q.
Z toho vyplýva, že potenciál elektrického poľa v danom bode sa numericky rovná práci vykonanej vonkajšou silou, keď sa jednotkový kladný náboj pohybuje z poľa smerom k danému bodu. Potenciál poľa sa meria vo voltoch (V). Ak pri prenose jedného coulombu elektriny mimo poľa do daného bodu vykonali vonkajšie sily prácu rovnajúcu sa jednému joulu, potom sa potenciál v danom bode poľa rovná jednému voltu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Intenzita elektrického poľa
V akomkoľvek elektrickom poli sa kladné náboje presúvajú z bodov s vyšším potenciálom do bodov s nižším potenciálom. Naopak, záporné náboje sa presúvajú z bodov s nižším potenciálom do bodov s vyšším potenciálom. V oboch prípadoch sa pracuje na úkor potenciálnej energie elektrického poľa.
Ak poznáme túto prácu, teda množstvo, o ktoré sa potenciálna energia poľa znížila, keď sa kladný náboj q presunie z bodu 1 poľa do bodu 2, potom je ľahké nájsť napätie medzi týmito bodmi poľa. ihrisko U1,2:
U1,2 = A / q,
kde A je práca vykonaná silami poľa pri prenose náboja q z bodu 1 do bodu 2. Napätie medzi dvoma bodmi v elektrickom poli sa numericky rovná práci vykonanej nulou na prenos jednotkového kladného náboja z jedného bodu v teréne inému.
Ako vidno, napätie medzi dvoma bodmi poľa a potenciálny rozdiel medzi rovnakými bodmi predstavujú rovnakú fyzikálnu jednotku... Preto sú pojmy napätie a potenciálny rozdiel rovnaké. Napätie sa meria vo voltoch (V).
Napätie medzi dvoma bodmi sa rovná jednému voltu, ak pri prenose jedného coulombu elektriny z jedného bodu poľa do druhého sily poľa vykonajú prácu rovnú jednému joulu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Intenzita elektrického poľa
Z Coulombovho zákona vyplýva, že intenzita elektrického poľa daného náboja pôsobiaceho na iný náboj umiestnený v tomto poli nie je vo všetkých bodoch poľa rovnaká. Elektrické pole v ľubovoľnom bode možno charakterizovať veľkosťou sily, ktorou pôsobí na jednotkový kladný náboj umiestnený v danom bode.
Pri znalosti tejto hodnoty možno určiť silu F pôsobiacu na každý náboj Q. Môžete napísať, že F = Q x E, kde F je sila pôsobiaca na náboj Q umiestnený v bode poľa elektrickým poľom, E je sila pôsobiaca na jednotkový kladný náboj umiestnený v rovnakom bode poľa. Množstvo E, ktoré sa číselne rovná sile, ktorou pôsobí jednotkový kladný náboj v danom bode poľa, sa nazýva intenzita elektrického poľa.