Sähkökenttä

Tutki myös sähkökenttäkysymyksiä koskevaa keskustelua ja esimerkkejä sähkökenttäkysymyksistä.

Jotta etäisyydellä vaikuttava sähkövoima olisi helpommin ymmärrettävissä, otettiin käyttöön kentän käsite. Sähkökentän käsitteen kehitti brittiläinen tiedemies Michael Faraday (1791–1867).

Määritelmä

Oletetaan, että lasisauva on aluksi sähköisesti neutraali. Kun lasisauva hangataan kankaalla, se varautuu sähköisesti. Kun lasisauvassa on sähkövaraus , sen ympärille ilmestyy samanaikaisesti kenttä. Jos lasisauva muuttuu neutraaliksi, kenttä katoaa samanaikaisesti tilasta. Kentän olemassaolo on siis erottamaton sähkövarauksen olemassaolosta. Sähkökenttä ei ole aineen tyyppi kuten ilma eikä aaltotyyppi kuten sähkömagneettiset aallot, vaan se on sähkövarauksen synnyttämä ja vaikuttaa sähkövarauksen ympärillä olevaan tilaan, jossa sen vaikutuksen tuntevat vain muut sähkövaraukset.

Kentän olemassaolon testaamiseksi avaruudessa oletetaan, että kyseisessä tilassa on testivaraus . Testivaraus on varaus (Q), joka on niin pieni, että se tuottaa hyvin pienen kentän ja voidaan siksi jättää huomiotta. Testivaraus voi kuitenkin tuntea muiden sähkövarausten synnyttämän kentän vaikutuksen. Testivaraus on läsnä vain tutkimaan, onko sähkökenttä olemassa. Jos sellainen on, testivaraus kokee vaikutuksen sähkövoiman muodossa. Käänteisesti , jos sellaista ei ole, testivaraus ei koe sähkövoimaa.

Katso kuvaa sivussa.
Kuvassa 1 varaus +q₁ ja varaus +q₂ tuottaa sähkökentän ympäröivään tilaan. Kun testivaraus +q asetetaan_o avaruuden pisteessä testivaraus +q_o sähkövoiman kokeminen. F₁ on varauksen +q:n kohdistama sähköinen voima₁ testivarauksella +q_o ja F₂ on varauksen +q:n kohdistama sähköinen voima₂ testivarauksella +q_oKuvassa 2, kun testipanos poistetaan, kenttä säilyy eikä katoa kyseisestä pisteestä. E₁ on sähkövarauksen +q tuottama kenttä₁ ja E₂ on sähkövarauksen +q tuottama kenttä₂.

Kentänvoimakkuus

Sähkökenttä on vektorisuure, jolla on sekä suuruus että suunta. Sähkökentän voimakkuus tietyssä pisteessä määritellään sähkövarauksen pisteeseen sijoitettuun positiiviseen testivaraukseen kohdistamana sähkövoimana jaettuna testivarauksen suuruudella.
Tietoja:
E = kentänvoimakkuus
F = sähkövoima
q = testivarauksen suuruus
Tietoja:
Q = sähkövaraus
r = sähkövarauksen ja testivarauksen välinen etäisyys
(lue: epsilon nolla) = tyhjän tilan permittiivisyys = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = Coulombin vakio = 9 x 10⁹ nm²/C²

Sähkövoiman yksikkö on Newton ja sähkövarauksen yksikkö on Coulomb, joten kentän yksikkö on Newton/Coulomb, lyhennettynä N/C.

Suunta

 
Katso kuvaa sivussa
Päällä Kuva 1apositiivinen sähkövaraus (+Q) kohdistaa sähköisen voiman positiiviseen testivaraukseen (+q), jossa sähkövoiman (F) suunta on poispäin +Q-varauksesta.
Päällä Kuva 1b, kun testivaraus poistetaan, siinä kohdassa on kenttä (E), jonka suunta on poispäin sähkövarauksesta Q.
Päällä Kuva 2a, negatiivinen sähkövaraus (-Q) kohdistaa sähköisen voiman positiiviseen testivaraukseen (+q), jossa sähkövoiman (F) suunta lähestyy -Q-varausta.
Päällä Kuva 2b, kun testivaraus poistetaan, siinä kohdassa on kenttä (E), jonka suunta on lähellä sähkövarausta -Q.
Yllä olevan kuvan ja selityksen perusteella voidaan päätellä, että kentän suunta on poispäin positiivisesta sähkövarauksesta ja kohti negatiivista sähkövarausta.

Ongelmaesimerkki

1. Piste A sijaitsee sähkökentässä. Sähkökentän voimakkuus pisteessä A on 0,4 N/C. Jos pisteeseen A asetetaan kappale, jonka varaus on 0,2 C, siihen vaikuttaa Coulombin voima...
A. 0,2 N
B. 0,4 N
C. 0,6 N
D. 0,7 N
E. 0,8 N
Keskustelu:
Se tiedetään :
E = 0,4 °C
q = 0,2 °C
Kysytty :
Sähköinen voima?
Jawab :
F = q E = (0,2 °C)(4 N/C) = 0,8 N
Oikea vastaus on E.

2. Ladattu piste q on pisteessä A varauksen (+) synnyttämässä sähkökentässä siten, että se kokee 0,1 N:n voiman varausta q kohti. Jos kentänvoimakkuus pisteessä A on 0,02 N/C, niin varauksen q suuruus ja tyyppi ovat...
A. 5,0 C, positiivinen
B. 5,0 °C, negatiivinen
C. 4,0 C, positiivinen
D. 2,5 °C, negatiivinen
E. 2,5 C, positiivinen
Keskustelu:
Se tiedetään :
F = 0,1 N
E = 0,02 °C
Kysytty :
Mikä on varauksen q suuruus ja suunta?
Jawab :
Varauksen q suuruus:
F = q E
q = F/E = 0,1 N: 0,02 N/C = 5C
Maksun tyyppi q:
Coulombin voiman suunta on varausta q kohti, joten varauksen q arvon on oltava positiivinen.