Artikkel elektrivälja kohta
Elektrilaengu teemal õpiti, et sarnased laengud tõukuvad üksteist, samas kui erinevad laengud tõmbuvad üksteist. Kui positiivselt laetud objekt viiakse negatiivselt laetud objekti lähedale, siis need kaks objekti tõmbuvad teineteise poole ja liiguvad teineteise poole. Vastupidiselt, kui positiivselt laetud objekt viiakse positiivselt laetud objekti lähedale, siis need kaks objekti tõukuvad teineteist ja liiguvad teineteisest eemale. Nagu Coulombi seaduse teemal uuriti, võivad elektrilaenguga objektid kiirendada teisi elektrilaenguga objekte, kuna nende elektrilaenguga objektide vahel toimib elektriline jõud. Elektriline jõud, mida elektrilaenguga objekt avaldab teistele elektrilaenguga objektidele, on üks näide jõust, mis saab toimida ilma kokkupuuteta. Teine näide jõust, mis saab toimida kaugusel, on raskusjõud . Gravitatsioonijõudu avaldab massiga objekt teistele massiga objektidele.
Hõõrdejõud , tõukejõud ja normaaljõud on näited jõududest, mida on lihtne mõista, kuna need jõud toimivad kokkupuutel. Elektrijõud on seevastu näide jõust, mida on raske mõista, kuna see jõud võib toimida teatud kauguselt ilma puudutuseta. Teatud kauguselt toimida võiva elektrijõu mõistmiseks tuleb kasutusele elektrivälja mõiste. Elektrivälja kontseptsiooni töötas välja Briti teadlane Michael Faraday (1791–1867).
Elektrivälja (E) definitsioon
Oletame, et klaas oli algselt elektriliselt neutraalne. Pärast lapiga hõõrumist laeb klaaspulk elektriliselt. Kui klaaspulk laetakse elektriliselt, tekib klaasi ümber elektriväli. Kui klaas muutub neutraalseks, kaob elektriväli. Seega ei saa E olemasolu lahutada elektrilaengu olemasolust. E ei ole mingi aine nagu õhk ega lainetüüp nagu elektromagnetlained. E on midagi, mille põhjustab elektrilaeng ja mis mõjutab elektrilaengu ümbritsevat ruumi, kus teised elektrilaengud tunnevad ainult E mõju.
Selleks, et kontrollida, kas ruumis on E, eeldatakse, et selles ruumis on testlaeng. Testlaeng on minimaalne laeng (Q) , seega tekitab see imeväikese elektrivälja ja seda võib ignoreerida. Testlaeng võib aga tunda teiste elektrilaengute tekitatud elektrivälja mõju. Testlaengut kasutatakse ainult selleks, et uurida, kas E on olemas. Kui ruumis on E, siis
Testlaeng peab kogema elektrilist jõudu, samas kui E puudumisel testlaeng elektrilist jõudu ei koge.
Vaadake küljel olevat kuju.
Joonisel 1 tekitavad laeng +q1 ja laeng +q2 ümbritsevas ruumis E. Kui testlaeng +qo asetatakse ruumipunkti, mõjub testlaeng + qo elektrilisele jõule. F1 on elektriline jõud, mida laeng +q1 avaldab testlaengule +qo , ja F2 on elektriline jõud, mida laeng +q2 avaldab testlaengule +qo . Joonisel 2 jääb E alles, kui testlaeng eemaldatakse. E1 on elektriväli, mille tekitab elektrilaeng +q1 , ja E2 on elektriväli , mille tekitab elektrilaeng + q2.
Elektrivälja suurusjärk
E on vektorsuurus, kus elektriväljal on suurus ja suund. E suurust nimetatakse tavaliselt E tugevuseks. E tugevus punktis on defineeritud kui elektrilise jõu summa, mida elektrilaeng avaldab sellesse punkti asetatud positiivsele testlaengule, jagatuna testlaengu suurusega.
E = elektrivälja tugevus
F = elektriline jõud
q = testlaeng
Elektrijõu ühik on Newton ja elektrilaengu ühik on Coulomb, seega E ühik on Newton / Coulomb, lühendatult N/C.
Elektrivälja suund
Joonisel 1a avaldab positiivne elektrilaeng (+Q) elektrilist jõudu positiivsele testlaengule (+q), kusjuures elektrilise jõu (F) suund on +Q laengust eemale.
Joonisel 1b, kui testlaeng eemaldatakse, on selles punktis elektriväli (E), mille suund on elektrilaengust Q eemale suunatud.
Joonisel 2a avaldab negatiivne elektrilaeng (-Q) elektrilist jõudu positiivses testlaengus (+q), kusjuures elektrilise jõu (F) suund läheneb laengule -Q.
Joonisel 2b, kui testlaeng on eemaldatud, on selles punktis elektriväli (E), mille suund on lähedane elektrilaengu -Q suunale.
Eeltoodud joonise ja selgituse põhjal võib järeldada, et elektrivälja suund on positiivsest elektrilaengust eemale ja läheneb negatiivsele elektrilaengule.
Elektrivälja liinid
Elektrilaeng tekitab E ja mõjutab elektrilaengut ümbritsevat ruumi, kus E mõju tunnevad ainult teised elektrilaengud. Kui elektrilaengu tekitatud E-s on teine elektrilaeng, tajub teine elektrilaeng elektrijõu mõju.
Nagu artiklis E kohta kirjeldatud, saab elektrivälja mõista vaid mõistuse abil. Elektrivälja visualiseerimiseks esitatakse elektrivälja jõujooni. Elektrivälja jõujooned on joonte kogum, mis on tõmmatud ümber elektrilaengu, et näidata elektrivälja olemasolu. Kuna eesmärk on näidata elektrivälja olemasolu, on nende joonte ja elektrivälja vahel seos. Teisisõnu, elektrivälja suurust ja suunda saab selgitada elektrivälja jõujoonte joonistamise abil.
Järgnevalt on toodud suuna ja elektrivälja tugevuse seos elektrivälja jõujoontega:
Esiteks liigub E suund positiivsest laengust eemale ja läheneb negatiivsele laengule. Seega on ka elektrivälja jõujoonte suund positiivsest laengust eemale ja läheneb negatiivsele laengule.
Kui positiivne laeng asub negatiivse laengu kõrval, siis elektrivälja jõujooned nihkuvad positiivsest laengust negatiivse laengu suunas. Vastupidiselt, kui positiivne laeng asub positiivse laengu kõrval, siis nihkuvad elektrivälja jõujooned igast positiivsest laengust üksteisest eemale.
Teiseks, elektrivälja tugevust esindab elektrivälja jõujoonte vaheline kaugus. Mida väiksem on elektrivälja jõujoonte vaheline kaugus, seda suurem on elektrivälja tugevus ja mida suurem on elektrivälja jõujoonte vaheline kaugus, seda väiksem on elektrivälja tugevus.
Miks on elektrivälja tugevus suurem, mida väiksem on joonte vaheline kaugus? Selle mõistmiseks vaadake järgmist selgitust. Oletame, et kera keskel on positiivne laeng ja elektrivälja jõujooned on kera pinnal laiali eri suundades. Kui elektrivälja jõujoonte arv on N ja kera pindala on 4πr² , siis joonte arv pindalaühiku kohta ehk joonte tihedus on N / 4πr² . Selle valemi põhjal, sama N korral, kui r väheneb, siis joonte vaheline kaugus väheneb ja kui r suureneb, siis joonte vaheline kaugus suureneb.
Elektrivälja tugevuse valem E = kq / r 2 näitab samuti, et elektrivälja tugevus on pöördvõrdeline kauguse ruuduga. Kui r on väiksem, siis elektrivälja tugevus suureneb ja kui r suureneb, siis elektrivälja tugevus väheneb.
Eelneva ülevaate põhjal võib järeldada, et mida väiksem on r (mida lähemale jõutakse laengule), seda suurem on elektrivälja tugevus ja ka joonte vaheline kaugus väheneb. Vastupidiselt, mida suurem on r (mida kaugemal jõust), seda väiksem on elektrivälja tugevus ja ka joonte vaheline kaugus suureneb.
Kolmandaks, E-joonte arv on võrdeline elektrivälja tugevusega. Mida rohkem elektrivälja jooni, seda suurem on elektrivälja tugevus. Mida vähem elektrivälja jooni, seda väiksem on elektrivälja tugevus.
