Άρθρο για το ηλεκτρικό πεδίο
Όσον αφορά το ηλεκτρικό φορτίο, έγινε γνωστό ότι τα όμοια φορτία απωθούνται, ενώ τα ανόμοια φορτία έλκονται. Εάν ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο πλησιάσει ένα αρνητικά φορτισμένο αντικείμενο, τα δύο αντικείμενα έλκονται μεταξύ τους έτσι ώστε να κινούνται το ένα προς το άλλο. Αντίθετα, εάν ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο πλησιάσει ένα θετικά φορτισμένο αντικείμενο, τότε τα δύο αντικείμενα απωθούνται έτσι ώστε να απομακρύνονται το ένα από το άλλο. Όπως μελετήθηκε στο θέμα του νόμου του Κουλόμπ, τα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα μπορούν να επιταχύνουν άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα επειδή υπάρχει μια ηλεκτρική δύναμη που ασκείται μεταξύ αυτών των ηλεκτρικά φορτισμένων αντικειμένων. Η ηλεκτρική δύναμη που ασκείται από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αντικείμενο σε άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα αντικείμενα είναι ένα παράδειγμα δύναμης που μπορεί να δράσει χωρίς επαφή. Ένα άλλο παράδειγμα δύναμης που μπορεί να δράσει από απόσταση είναι η δύναμη της βαρύτητας . Η βαρυτική δύναμη ασκείται από ένα μαζικό αντικείμενο σε άλλα μαζικά αντικείμενα.
Η δύναμη τριβής , η δύναμη ώθησης και η κανονική δύναμη είναι παραδείγματα δυνάμεων που είναι εύκολο να κατανοηθούν, επειδή αυτές οι δυνάμεις ασκούνται όταν συμβαίνει επαφή. Αντίθετα, η ηλεκτρική δύναμη είναι ένα παράδειγμα δύναμης που είναι δύσκολο να κατανοηθεί, επειδή αυτή η δύναμη μπορεί να ασκηθεί από μια ορισμένη απόσταση χωρίς επαφή. Για να κατανοήσουμε την ηλεκτρική δύναμη που μπορεί να ασκηθεί από μια ορισμένη απόσταση, εμφανίζεται η έννοια του ηλεκτρικού πεδίου. Η έννοια του ηλεκτρικού πεδίου αναπτύχθηκε από τον Βρετανό επιστήμονα Michael Faraday (1791-1867).
Ορισμός του ηλεκτρικού πεδίου (E)
Ας υποθέσουμε ότι ένα γυαλί ήταν αρχικά ηλεκτρικά ουδέτερο. Αφού τρίβεται με ένα πανί, η γυάλινη ράβδος φορτίζεται ηλεκτρικά. Όταν η γυάλινη ράβδος φορτίζεται ηλεκτρικά, ταυτόχρονα, εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο γύρω από το γυαλί. Αν το γυαλί γίνει ουδέτερο, ταυτόχρονα το ηλεκτρικό πεδίο εξαφανίζεται. Έτσι, η ύπαρξη ενός Ε δεν μπορεί να διαχωριστεί από την παρουσία ενός ηλεκτρικού φορτίου. Το Ε δεν είναι ένα είδος ουσίας όπως ο αέρας ούτε ένα είδος κύματος, όπως τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Ένα Ε είναι κάτι που προκαλείται από ένα ηλεκτρικό φορτίο και επηρεάζει τον χώρο γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο, ενώ άλλα ηλεκτρικά φορτία αισθάνονται μόνο την επίδραση ενός Ε.
Για να ελεγχθεί εάν υπάρχει ένα Ε σε ένα δωμάτιο, θεωρείται ότι υπάρχει ένα δοκιμαστικό φορτίο σε αυτόν τον χώρο. Το δοκιμαστικό φορτίο είναι ένα ελάχιστο φορτίο (Q), έτσι ώστε το φορτίο να παράγει ένα μικροσκοπικό ηλεκτρικό πεδίο, επομένως μπορεί να αγνοηθεί. Ωστόσο, το δοκιμαστικό φορτίο μπορεί να αισθανθεί την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από άλλα ηλεκτρικά φορτία. Το δοκιμαστικό φορτίο παρουσιάζεται μόνο για να διερευνηθεί εάν υπάρχει ένα Ε. Εάν υπάρχει ένα Ε στον χώρο,
Το δοκιμαστικό φορτίο πρέπει να υφίσταται την ηλεκτρική δύναμη, ενώ αν δεν υπάρχει Ε, το δοκιμαστικό φορτίο δεν υφίσταται την ηλεκτρική δύναμη.
Κοιτάξτε το σχήμα στο πλάι.
Στο σχήμα 1, το φορτίο +q1 και το φορτίο +q2 παράγουν ένα E στον περιβάλλοντα χώρο. Όταν το φορτίο δοκιμής +qo τοποθετηθεί σε ένα σημείο στο χώρο, το φορτίο δοκιμής +qo δέχεται την ηλεκτρική δύναμη. Το F1 είναι η ηλεκτρική δύναμη που ασκείται από το φορτίο +q1 στο φορτίο δοκιμής +qo , και το F2 είναι η ηλεκτρική δύναμη που ασκείται από το φορτίο +q2 στο φορτίο δοκιμής +qo . Στο Σχήμα 2, όταν το φορτίο δοκιμής αφαιρεθεί, το E παραμένει και δεν εξαφανίζεται από αυτό το σημείο. Το E1 είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο +q1 , και το E2 είναι ένα E που παράγεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο + q2.
Το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου
Το E είναι ένα διανυσματικό μέγεθος, όπου το ηλεκτρικό πεδίο έχει μέγεθος και κατεύθυνση. Το μέγεθος ενός E συνήθως αναφέρεται ως ένταση E. Η ένταση του E σε ένα σημείο ορίζεται ως η δύναμη του ηλεκτρισμού που ασκείται από ένα ηλεκτρικό φορτίο σε ένα θετικό δοκιμαστικό φορτίο τοποθετημένο σε αυτό το σημείο, διαιρούμενη με το μέγεθος του δοκιμαστικού φορτίου.
E = ένταση ηλεκτρικού πεδίου
F = ηλεκτρική δύναμη
q = δοκιμαστικό φορτίο
Η μονάδα της ηλεκτρικής δύναμης είναι το Newton και η μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb, έτσι ώστε η μονάδα του E να είναι Newton / Coulomb, συντομογραφία N/C.
Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου
Στο Σχήμα 1α, ένα θετικό ηλεκτρικό φορτίο (+Q) ασκεί ηλεκτρική δύναμη στο θετικό φορτίο δοκιμής (+q), όπου η κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης (F) είναι μακριά από το φορτίο του +Q.
Στο Σχήμα 1β, όταν αφαιρείται το δοκιμαστικό φορτίο, σε αυτό το σημείο υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο (E) του οποίου η κατεύθυνση είναι διαφορετική από το ηλεκτρικό φορτίο Q.
Στο Σχήμα 2α, ένα αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο (-Q) ασκεί την ηλεκτρική δύναμη σε ένα θετικό φορτίο δοκιμής (+q), όπου η κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης (F) πλησιάζει το φορτίο -Q.
Στο Σχήμα 2β, όταν αφαιρείται το φορτίο δοκιμής, σε αυτό το σημείο υπάρχει ένα ηλεκτρικό πεδίο (E) του οποίου η κατεύθυνση είναι κοντά στο ηλεκτρικό φορτίο -Q.
Με βάση το παραπάνω σχήμα και την εξήγηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου είναι μακριά από το θετικό ηλεκτρικό φορτίο και πλησιάζει το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.
Γραμμές ηλεκτρικού πεδίου
Το Ε παράγεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο και επηρεάζει τον χώρο γύρω από το ηλεκτρικό φορτίο, όπου η επίδραση του Ε γίνεται αισθητή μόνο από άλλα ηλεκτρικά φορτία. Όταν ένα άλλο ηλεκτρικό φορτίο βρίσκεται στο Ε που παράγεται από ένα ηλεκτρικό φορτίο, ένα άλλο ηλεκτρικό φορτίο αντιλαμβάνεται την επίδραση μιας ηλεκτρικής δύναμης.
Η κατανόηση του ηλεκτρικού πεδίου παραπάνω, όπως περιγράφεται στο άρθρο σχετικά με το Ε, μπορεί να γίνει αντιληπτή με το μυαλό, αλλά μπορεί μόνο να φανταστεί κανείς στο μυαλό. Για να απεικονίσουμε ένα Ε, παρουσιάζονται γραμμές ηλεκτρικού πεδίου. Οι γραμμές ηλεκτρικού πεδίου είναι ένα σύνολο γραμμών που σχεδιάζονται γύρω από ένα ηλεκτρικό φορτίο για να υποδείξουν την ύπαρξη ενός ηλεκτρικού πεδίου. Επειδή στόχος τους είναι να δείξουν την παρουσία ενός Ε, υπάρχει μια σύνδεση μεταξύ αυτών των γραμμών με ένα Ε. Με άλλα λόγια, το μέγεθος και η κατεύθυνση του Ε μπορούν να εξηγηθούν σχεδιάζοντας γραμμές ηλεκτρικού πεδίου.
Η ακόλουθη είναι η σχέση μεταξύ κατεύθυνσης και έντασης ηλεκτρικού πεδίου με γραμμές ηλεκτρικού πεδίου:
Καταρχάς, η κατεύθυνση του Ε απομακρύνεται από το θετικό φορτίο και πλησιάζει το αρνητικό φορτίο. Έτσι, η κατεύθυνση των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου απομακρύνεται επίσης από το θετικό φορτίο και πλησιάζει το αρνητικό φορτίο.
Εάν το θετικό φορτίο είναι δίπλα στο αρνητικό φορτίο, οι γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου έλκονται από το θετικό φορτίο προς το αρνητικό φορτίο. Αντίθετα, εάν ένα θετικό φορτίο είναι δίπλα σε ένα θετικό φορτίο, οι γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου έλκονται από κάθε θετικό φορτίο και απομακρύνονται η μία από την άλλη.
Δεύτερον, η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αναπαρίσταται από την απόσταση μεταξύ των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου. Όσο πιο κοντά είναι η απόσταση μεταξύ των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου, τόσο μικρότερη είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.
Γιατί, όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των γραμμών, τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου; Για να το κατανοήσετε αυτό, δείτε την ακόλουθη εξήγηση. Ας υποθέσουμε ότι ένα θετικό φορτίο βρίσκεται στο κέντρο της σφαίρας και οι γραμμές του ηλεκτρικού πεδίου απλώνονται σε διάφορες κατευθύνσεις μέσω της επιφάνειας της σφαίρας. Εάν ο αριθμός των γραμμών του ηλεκτρικού πεδίου είναι N και το εμβαδόν της επιφάνειας της σφαίρας είναι 4πr2 , τότε ο αριθμός των γραμμών ανά μονάδα επιφάνειας ή η πυκνότητα των γραμμών είναι N / 4πr2 . Με βάση αυτόν τον τύπο, για το ίδιο N, εάν το r μειωθεί, η απόσταση μεταξύ των γραμμών πλησιάζει και εάν το r αυξηθεί, η απόσταση μεταξύ των γραμμών απομακρύνεται.
Ο τύπος έντασης ηλεκτρικού πεδίου E = kq / r2 δείχνει επίσης ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της απόστασης. Εάν το r είναι μικρότερο, τότε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται πιο έντονη, και εάν το r γίνει πιο έντονο, τότε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται.
Με βάση την παραπάνω ανασκόπηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι εάν το r μειώνεται (πλησιάζοντας το φορτίο), η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται και η απόσταση μεταξύ των γραμμών επίσης πλησιάζει. Αντίθετα, εάν το r γίνεται πιο έντονο (όσο πιο μακριά από το φορτίο), η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μειώνεται και η απόσταση μεταξύ των γραμμών επίσης πιο μακριά.
Τρίτον, ο αριθμός των γραμμών Ε είναι ανάλογος με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Όσο περισσότερες γραμμές ηλεκτρικού πεδίου, τόσο υψηλότερη είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου. Όσο λιγότερες γραμμές ηλεκτρικού πεδίου, τόσο μικρότερη είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου.
