مقاله در مورد میدان الکتریکی
در مورد بار الکتریکی، آموخته شد که بارهای همنام یکدیگر را دفع می‌کنند، در حالی که بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند. اگر یک جسم با بار مثبت به یک جسم با بار منفی نزدیک شود، دو جسم به هم نزدیک می‌شوند به طوری که به سمت یکدیگر حرکت می‌کنند. برعکس، اگر یک جسم با بار مثبت به یک جسم با بار مثبت نزدیک شود، آن دو جسم یکدیگر را دفع می‌کنند به طوری که از یکدیگر دور می‌شوند. همانطور که در مورد قانون کولن مطالعه شد، اجسام دارای بار الکتریکی می‌توانند اجسام دارای بار الکتریکی دیگر را شتاب دهند زیرا نیروی الکتریکی بین این اجسام دارای بار الکتریکی وجود دارد. نیروی الکتریکی که توسط یک جسم دارای بار الکتریکی بر سایر اجسام دارای بار الکتریکی اعمال می‌شود، نمونه‌ای از نیرویی است که می‌تواند بدون تماس عمل کند. نمونه دیگری از نیرویی که می‌تواند از راه دور عمل کند، نیروی گرانش است . نیروی گرانش توسط یک جسم جرم‌دار بر سایر اجسام جرم‌دار اعمال می‌شود.
نیروی اصطکاک ، نیروی رانش، نیروی عمودی نمونه‌هایی از نیروهایی هستند که درک آنها آسان است زیرا این نیروها هنگام تماس عمل می‌کنند. در مقابل، نیروی الکتریکی نمونه‌ای از نیرویی است که درک آن دشوار است زیرا این نیرو می‌تواند از فاصله مشخصی بدون تماس عمل کند. برای درک نیروی الکتریکی که می‌تواند از فاصله مشخصی عمل کند، مفهوم میدان الکتریکی مطرح می‌شود. مفهوم میدان الکتریکی توسط دانشمند بریتانیایی مایکل فارادی (1791-1867) توسعه داده شد.
تعریف میدان الکتریکی (E)
فرض کنید یک لیوان در ابتدا از نظر الکتریکی خنثی بوده است. پس از مالش با پارچه، میله شیشه‌ای باردار می‌شود. وقتی میله شیشه‌ای باردار می‌شود، همزمان یک میدان الکتریکی در اطراف لیوان ظاهر می‌شود. اگر لیوان خنثی شود، همزمان میدان الکتریکی ناپدید می‌شود. بنابراین، وجود یک E را نمی‌توان از وجود یک بار الکتریکی جدا کرد. E نوعی ماده مانند هوا نیست و مانند امواج الکترومغناطیسی نوعی موج نیست. E چیزی است که توسط یک بار الکتریکی ایجاد می‌شود و بر فضای اطراف یک بار الکتریکی تأثیر می‌گذارد، جایی که سایر بارهای الکتریکی فقط تحت تأثیر یک E قرار می‌گیرند.
برای آزمایش وجود E در یک اتاق، فرض می‌شود که یک بار آزمون در آن فضا وجود دارد. بار آزمون، یک بار حداقلی (Q) است ، به طوری که این بار، میدان الکتریکی بسیار کوچکی تولید می‌کند، بنابراین می‌توان آن را نادیده گرفت. با این حال، بار آزمون می‌تواند تأثیر میدان الکتریکی تولید شده توسط سایر بارهای الکتریکی را احساس کند. بار آزمون فقط برای بررسی وجود E ارائه شده است. اگر E در فضا وجود داشته باشد،
بار آزمون باید نیروی الکتریکی را تجربه کند، در حالی که اگر E وجود نداشته باشد، بار آزمون نیروی الکتریکی را تجربه نمی‌کند.
به شکل کناری نگاه کنید.
در شکل ۱، بار +q1 و بار +q2 یک میدان الکتریکی (E) در فضای اطراف ایجاد می‌کنند. وقتی بار آزمون +qo در نقطه‌ای از فضا قرار می‌گیرد، بار آزمون +qo نیروی الکتریکی را تجربه می‌کند. F1 نیروی الکتریکی است که توسط بار +q1 بر بار آزمون +qo وارد می‌شود و F2 نیروی الکتریکی است که توسط بار +q2 بر بار آزمون +qo وارد می‌شود . در شکل ۲، هنگامی که بار آزمون حذف می‌شود، میدان الکتریکی (E) از آن نقطه باقی می‌ماند و ناپدید نمی‌شود. E1 یک میدان الکتریکی است که توسط بار الکتریکی +q1 تولید می‌شود و E2 یک میدان الکتریکی است که توسط بار الکتریکی +q2 تولید می‌شود.
بزرگی میدان الکتریکی
E یک کمیت برداری است که در آن میدان الکتریکی دارای بزرگی و جهت است. بزرگی E معمولاً به عنوان شدت E شناخته می‌شود. شدت E در یک نقطه به صورت نیروی الکتریکی اعمال شده توسط یک بار الکتریکی بر یک بار آزمون مثبت قرار داده شده در آن نقطه، تقسیم بر اندازه بار آزمون تعریف می‌شود.
E = شدت میدان الکتریکی
F = نیروی الکتریکی
q = بار آزمون
واحد نیروی الکتریکی نیوتن و واحد بار الکتریکی کولن است، بنابراین واحد E نیوتن/کولن است که به اختصار N/C نامیده می‌شود.
جهت میدان الکتریکی
در شکل 1a، یک بار الکتریکی مثبت (+Q) نیروی الکتریکی را بر بار آزمون مثبت (+q) وارد می‌کند، که در آن جهت نیروی الکتریکی (F) از بار +Q دور است.
در شکل 1b، وقتی بار آزمون برداشته می‌شود، در این نقطه یک میدان الکتریکی (E) وجود دارد که جهت آن از بار الکتریکی Q دور است.
در شکل 2a، بار الکتریکی منفی (-Q) نیروی الکتریکی را به بار آزمون مثبت (+q) اعمال می‌کند، که در آن جهت نیروی الکتریکی (F) به بار -Q نزدیک می‌شود.
در شکل 2b، وقتی بار آزمون برداشته می‌شود، در این نقطه یک میدان الکتریکی (E) وجود دارد که جهت آن نزدیک به بار الکتریکی -Q است.
بر اساس شکل و توضیحات بالا، می‌توان نتیجه گرفت که جهت میدان الکتریکی از بار الکتریکی مثبت دور و به بار الکتریکی منفی نزدیک می‌شود.
خطوط میدان الکتریکی
نیروی E توسط یک بار الکتریکی تولید می‌شود و بر فضای اطراف بار الکتریکی تأثیر می‌گذارد، جایی که تأثیر E فقط توسط بارهای الکتریکی دیگر احساس می‌شود. وقتی بار الکتریکی دیگری در E تولید شده توسط یک بار الکتریکی قرار دارد، بار الکتریکی دیگری تأثیر نیروی الکتریکی را حس می‌کند.
درک میدان الکتریکی فوق، همانطور که در مقاله مربوط به E توضیح داده شد، می‌تواند با ذهن تحقق یابد اما فقط در ذهن قابل تصور است. برای تجسم یک E، خطوط میدان الکتریکی ارائه شده‌اند. خطوط میدان الکتریکی مجموعه‌ای از خطوط هستند که در اطراف یک بار الکتریکی رسم می‌شوند تا وجود یک میدان الکتریکی را نشان دهند. از آنجا که هدف نشان دادن وجود یک E است، ارتباطی بین این خطوط با یک E وجود دارد. به عبارت دیگر، بزرگی و جهت E را می‌توان با رسم خطوط میدان الکتریکی توضیح داد.
رابطه بین جهت و شدت میدان الکتریکی با خطوط میدان الکتریکی به صورت زیر است:
اول، جهت E از بار مثبت دور شده و به بار منفی نزدیک می‌شود. بنابراین، جهت خطوط میدان الکتریکی نیز از بار مثبت دور شده و به بار منفی نزدیک می‌شود.
اگر بار مثبت در مجاورت بار منفی باشد، خطوط میدان الکتریکی از بار مثبت به سمت بار منفی کشیده می‌شوند. برعکس، اگر یک بار مثبت در مجاورت یک بار مثبت باشد، خطوط میدان الکتریکی از هر بار مثبت خارج و از یکدیگر دور می‌شوند.
دوم، شدت میدان الکتریکی با فاصله بین خطوط میدان الکتریکی نشان داده می‌شود. هرچه فاصله بین خطوط میدان الکتریکی نزدیکتر باشد، شدت میدان الکتریکی بیشتر و هرچه فاصله بین خطوط میدان الکتریکی دورتر باشد، شدت میدان الکتریکی کمتر است.
چرا هر چه فاصله بین خطوط نزدیکتر باشد، قدرت میدان الکتریکی بیشتر است؟ برای درک این موضوع، به توضیح زیر توجه کنید. فرض کنید یک بار مثبت در مرکز کره قرار دارد و خطوط میدان الکتریکی در جهات مختلف در سطح کره پخش شده‌اند. اگر تعداد خطوط میدان الکتریکی N و مساحت سطح کره 4πr^ 2 باشد ، تعداد خطوط در واحد سطح یا چگالی خطوط N / 4πr^ 2 است . بر اساس این فرمول، برای همان N، اگر r کوچکتر شود، فاصله بین خطوط نزدیکتر و اگر r قابل توجه‌تر شود، فاصله بین خطوط دورتر می‌شود.
فرمول شدت میدان الکتریکی E = kq / r^ 2 همچنین نشان می‌دهد که شدت میدان الکتریکی با مجذور فاصله نسبت معکوس دارد. اگر r کوچکتر باشد، شدت میدان الکتریکی بیشتر می‌شود و اگر r برجسته‌تر شود، شدت میدان الکتریکی کمتر می‌شود.
بر اساس بررسی فوق، می‌توان نتیجه گرفت که اگر r کوچکتر شود (به بار نزدیکتر شود)، قدرت میدان الکتریکی بزرگتر شده و فاصله بین خطوط نیز به آن نزدیکتر می‌شود. برعکس، اگر r برجسته‌تر شود (از بار دورتر شود)، قدرت میدان الکتریکی کوچکتر شده و فاصله بین خطوط نیز دورتر می‌شود.
سوم، تعداد خطوط E با شدت میدان الکتریکی متناسب است. هرچه خطوط میدان الکتریکی بیشتر باشند، شدت میدان الکتریکی بیشتر است. هرچه خطوط میدان الکتریکی کمتر باشند، شدت میدان الکتریکی کمتر است.
