Artikel om det elektriske felt
I forbindelse med elektrisk ladning blev det lært, at ens ladninger frastøder hinanden, mens ulig ladninger tiltrækker hinanden. Hvis et positivt ladet objekt bringes tæt på et negativt ladet objekt, trækkes de to objekter sammen, så de bevæger sig mod hinanden. Omvendt, hvis et positivt ladet objekt bringes tæt på et positivt ladet objekt, frastøder de to objekter hinanden, så de bevæger sig væk fra hinanden. Som undersøgt i forbindelse med Coulombs lov kan elektrisk ladede objekter accelerere andre elektrisk ladede objekter, fordi der er en elektrisk kraft, der virker mellem disse elektrisk ladede objekter. Den elektriske kraft, der udøves af et elektrisk ladet objekt på andre elektrisk ladede objekter, er et eksempel på en kraft, der kan virke uden kontakt. Et andet eksempel på den kraft, der kan virke på afstand , er tyngdekraften . Tyngdekraften udøves af et massivt objekt på andre massive objekter.
Friktionskraft , trykkraft og normalkraft er eksempler på kræfter, der er lette at forstå, fordi disse kræfter virker, når der opstår kontakt. Tværtimod er den elektriske kraft et eksempel på en kraft, der er vanskelig at forstå, fordi denne kraft kan virke fra en bestemt afstand uden berøring. For at forstå den elektriske kraft, der kan virke fra en bestemt afstand, bruges konceptet om et elektrisk felt. Konceptet om et elektrisk felt blev udviklet af den britiske videnskabsmand Michael Faraday (1791-1867).
Definition af det elektriske felt (E)
Antag, at et glas oprindeligt var elektrisk neutralt. Efter at være blevet gnidet med en klud, bliver glasstangen elektrisk ladet. Når glasstangen bliver elektrisk ladet, opstår der samtidig et elektrisk felt omkring glasset. Hvis glasset bliver neutralt, forsvinder det elektriske felt samtidig. Så eksistensen af et E kan ikke adskilles fra tilstedeværelsen af en elektrisk ladning. E'et er ikke en slags stof som luft og ikke en slags bølge, som elektromagnetiske bølger. Et E er noget, der er forårsaget af en elektrisk ladning og påvirker rummet omkring en elektrisk ladning, hvor andre elektriske ladninger kun mærker indflydelsen fra et E.
For at teste om der er et E i et rum, antages det, at der er en testladning i det rum. Testladningen er en minimal ladning (Q), så ladningen producerer et elektrisk felt, der er lille, så det kan ignoreres. Testladningen kan dog mærke påvirkningen af det elektriske felt, der genereres af andre elektriske ladninger. Testladningen præsenteres kun for at undersøge, om der er et E. Hvis der er et E i rummet,
Testladningen skal opleve den elektriske kraft, mens hvis der ikke er nogen E, oplever testladningen ikke den elektriske kraft.
Se på figuren på siden.
I figur 1 producerer ladningen +q1 og ladningen +q2 et E i det omgivende rum. Når testladningen +qo placeres et punkt i rummet, oplever testladningen +qo den elektriske kraft. F1 er den elektriske kraft, der udøves af ladningen +q1 på testladningen +qo , og F2 er den elektriske kraft, der udøves af ladningen +q2 på testladningen +qo . I figur 2 forbliver E, når testladningen fjernes, og forsvinder ikke fra dette punkt. E1 er et elektrisk felt produceret af en elektrisk ladning +q1 , og E2 er et E produceret af en elektrisk ladning + q2.
Størrelsen af det elektriske felt
E er en vektorstørrelse, hvor det elektriske felt har en størrelse og retning. Størrelsen af et E kaldes normalt en E-styrke. Styrken af E i et punkt defineres som den elektriske kraft, der udøves af en elektrisk ladning på en positiv testladning placeret i det punkt, divideret med størrelsen af testladningen.
E = elektrisk feltstyrke
F = elektrisk kraft
q = testladning
Enheden for elektrisk kraft er Newton, og enheden for elektrisk ladning er Coulomb, så enheden for E er Newton / Coulomb, forkortet N/C.
Retningen af det elektriske felt
I figur 1a udøver en positiv elektrisk ladning (+Q) den elektriske kraft på den positive testladning (+q), hvor retningen af den elektriske kraft (F) er væk fra ladningen +Q.
I figur 1b, når testladningen fjernes, er der på dette punkt et elektrisk felt (E), hvis retning er væk fra den elektriske ladning Q.
I figur 2a udøver en negativ elektrisk ladning (-Q) den elektriske kraft i en positiv testladning (+q), hvor retningen af den elektriske kraft (F) nærmer sig ladningen -Q.
I figur 2b, når testladningen fjernes, er der på dette punkt et elektrisk felt (E), hvis retning er tæt på den elektriske ladning -Q.
Baseret på figuren og forklaringen ovenfor kan det konkluderes, at det elektriske felts retning er væk fra den positive elektriske ladning og nærmer sig den negative elektriske ladning.
Elektriske feltlinjer
E'et genereres af en elektrisk ladning og påvirker rummet omkring den elektriske ladning, hvor E'ets indflydelse kun mærkes af andre elektriske ladninger. Når en anden elektrisk ladning er i det E, der genereres af en elektrisk ladning, registrerer en anden elektrisk ladning indflydelsen fra en elektrisk kraft.
Forståelse af det elektriske felt ovenfor, som beskrevet i artiklen om E, kan realiseres med sindet, men kan kun forestilles med sindet. For at visualisere et E præsenteres elektriske feltlinjer. Elektriske feltlinjer er et sæt linjer tegnet omkring en elektrisk ladning for at indikere eksistensen af et elektrisk felt. Fordi det har til formål at vise tilstedeværelsen af et E, er der en forbindelse mellem disse linjer med et E. Med andre ord kan størrelsen og retningen af E forklares ved at tegne elektriske feltlinjer.
Følgende er forholdet mellem retning og elektrisk feltstyrke med elektriske feltlinjer:
For det første bevæger E's retning sig væk fra den positive ladning og nærmer sig den negative ladning. Dermed er retningen af de elektriske feltlinjer også væk fra den positive ladning og nærmer sig den negative ladning.
Hvis den positive ladning støder op til den negative ladning, trækkes de elektriske feltlinjer ud fra den positive ladning til den negative ladning. Omvendt, hvis en positiv ladning støder op til en positiv ladning, trækkes de elektriske feltlinjer ud fra hver positiv ladning og væk fra hinanden.
For det andet er den elektriske feltstyrke repræsenteret af afstanden mellem de elektriske feltlinjer. Jo tættere afstanden mellem linjerne i det elektriske felt er, desto højere er styrken af det elektriske felt, og jo længere afstanden mellem linjerne i det elektriske felt er, desto mindre er den elektriske feltstyrke.
Hvorfor er det sådan, at jo tættere afstanden mellem linjerne er, desto højere er det elektriske feltstyrke? For at forstå dette, se på følgende forklaring. Antag, at en positiv ladning er i centrum af kuglen, og at de elektriske feltlinjer spreder sig i forskellige retninger gennem kuglens overflade. Hvis antallet af elektriske feltlinjer er N, og kuglens overfladeareal er 4πr² , så er antallet af linjer pr. arealenhed eller linjetæthed N / 4πr² . Baseret på denne formel, for det samme N, hvis r bliver mindre, bliver afstanden mellem linjerne kortere, og hvis r bliver mere signifikant, bliver afstanden mellem linjerne længere væk.
Formlen for elektrisk feltstyrke E = kq / r² viser også, at den elektriske feltstyrke er omvendt proportional med kvadratet af afstanden. Hvis r er mindre, bliver den elektriske feltstyrke mere fremtrædende, og hvis r bliver mere fremtrædende, bliver den elektriske feltstyrke mindre.
Baseret på ovenstående gennemgang kan det konkluderes, at hvis r bliver mindre (jo tættere på ladningen), bliver den elektriske feltstyrke større, og afstanden mellem linjerne bliver også tættere på. Omvendt, hvis r bliver mere fremtrædende (jo længere væk fra ladningen), bliver den elektriske feltstyrke mindre, og afstanden mellem linjerne bliver også længere væk.
For det tredje er antallet af E-linjer proportionalt med den elektriske feltstyrke. Jo flere elektriske feltlinjer, desto højere er den elektriske feltstyrke. Jo færre elektriske feltlinjer, desto mindre er den elektriske feltstyrke.
