Artikkeli sähkökentästä
Sähkövarauksesta opittiin, että samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan, kun taas erilaiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa. Jos positiivisesti varautunut kappale tuodaan lähelle negatiivisesti varautunutta kappaletta, kappaleet vetävät toisiaan yhteen niin, että ne liikkuvat toisiaan kohti. Kääntäen, jos positiivisesti varautunut kappale tuodaan lähelle positiivisesti varautunutta kappaletta, kappaleet hylkivät toisiaan niin, että ne liikkuvat poispäin toisistaan. Coulombin lain perusteella sähköisesti varautuneet kappaleet voivat kiihdyttää muita sähköisesti varautuneita kappaleita, koska näiden sähköisesti varautuneiden kappaleiden välillä vaikuttaa sähköinen voima. Sähkövoima, jonka sähköisesti varautunut kappale kohdistaa muihin sähköisesti varautuneisiin kappaleisiin, on yksi esimerkki voimasta, joka voi toimia ilman kosketusta. Toinen esimerkki voimasta, joka voi vaikuttaa etäisyydellä, on painovoima . Painovoiman kohdistaa massakappale toisiin massakappaleisiin.
Kitkavoima , työntövoima ja normaalivoima ovat esimerkkejä helposti ymmärrettävistä voimista, koska nämä voimat vaikuttavat kosketuksessa. Sähkövoima on puolestaan esimerkki vaikeasti ymmärrettävästä voimasta, koska tämä voima voi toimia tietyltä etäisyydeltä ilman kosketusta. Ymmärtääkseen tietyltä etäisyydeltä vaikuttavan sähkövoiman, tulee esiin sähkökentän käsite. Sähkökentän käsitteen kehitti brittiläinen tiedemies Michael Faraday (1791-1867).
Sähkökentän (E) määritelmä
Oletetaan, että lasi oli alun perin sähköisesti neutraali. Kun lasitankoa hierotaan liinalla, se varautuu sähköisesti. Kun lasitanko varautuu sähköisesti, lasin ympärille ilmestyy samanaikaisesti sähkökenttä. Jos lasi muuttuu neutraaliksi, sähkökenttä katoaa samanaikaisesti. Sähkön (E) olemassaoloa ei siis voida erottaa sähkövarauksen läsnäolosta. Sähkö ei ole jonkinlainen aine kuten ilma eikä aaltolaji kuten sähkömagneettiset aallot. Sähkö on sähkövarauksen aiheuttama asia, joka vaikuttaa sähkövarauksen ympärillä olevaan tilaan, jossa muut sähkövaraukset tuntevat vain sähkövarauksen vaikutuksen.
Huoneen sähkövarauksen (E) testaamiseksi oletetaan, että tilassa on testivaraus. Testivaraus on minimaalinen varaus (Q), joten se tuottaa pienen sähkökentän, joten se voidaan jättää huomiotta. Testivaraus voi kuitenkin tuntea muiden sähkövarausten synnyttämän sähkökentän vaikutuksen. Testivaraus esitetään vain sen tutkimiseksi, onko tilassa sähkövaraus. Jos tilassa on sähkövaraus,
Testivarauksen on koettava sähköinen voima, kun taas jos E:tä ei ole, testivaraus ei koe sähköistä voimaa.
Katso kuvaa sivussa.
Kuvassa 1 varaus +q1 ja varaus +q2 tuottavat ympäröivään tilaan E:n. Kun testivaraus +qo sijoitetaan avaruuden pisteeseen, testivaraus + qo kokee sähköisen voiman. F1 on sähköinen voima, jonka varaus +q1 kohdistaa testivaraukseen + qo , ja F2 on sähköinen voima, jonka varaus +q2 kohdistaa testivaraukseen +qo . Kuvassa 2, kun testivaraus poistetaan, E jää eikä katoa kyseisestä pisteestä. E1 on sähkövarauksen + q1 tuottama sähkökenttä , ja E2 on sähkövarauksen +q2 tuottama E.
Sähkökentän suuruus
E on vektorisuure, jossa sähkökentällä on suuruus ja suunta. E:n suuruutta kutsutaan yleensä E-voimakkuudeksi. E:n voimakkuus tietyssä pisteessä määritellään sähkövarauksen pisteeseen sijoitettuun positiiviseen testivaraukseen kohdistaman sähkövoiman jakaumana testivarauksen koolla.
E = sähkökentän voimakkuus
F = sähkövoima
q = testipanos
Sähkövoiman yksikkö on Newton ja sähkövarauksen yksikkö on Coulomb, joten E:n yksikkö on Newton / Coulomb, lyhennettynä N/C.
Sähkökentän suunta
Kuvassa 1a positiivinen sähkövaraus (+Q) kohdistaa sähköisen voiman positiiviseen testivaraukseen (+q), jossa sähkövoiman (F) suunta on poispäin +Q:n varauksesta.
Kuvassa 1b, kun testivaraus poistetaan, tässä kohdassa on sähkökenttä (E), jonka suunta on poispäin sähkövarauksesta Q.
Kuvassa 2a negatiivinen sähkövaraus (-Q) kohdistaa sähkövoiman positiiviseen testivaraukseen (+q), jossa sähkövoiman (F) suunta lähestyy varausta -Q.
Kuvassa 2b, kun testivaraus poistetaan, tässä kohdassa on sähkökenttä (E), jonka suunta on lähellä sähkövarausta -Q.
Yllä olevan kuvan ja selityksen perusteella voidaan päätellä, että sähkökentän suunta on poispäin positiivisesta sähkövarauksesta ja lähestyy negatiivista sähkövarausta.
Sähkökenttälinjat
Sähkövaraus synnyttää E:n ja vaikuttaa sähkövarauksen ympärillä olevaan tilaan, jossa E:n vaikutuksen tuntevat vain muut sähkövaraukset. Kun sähkövarauksen synnyttämässä E:ssä on toinen sähkövaraus, toinen sähkövaraus aistii sähkövoiman vaikutuksen.
Yllä olevan sähkökentän ymmärtäminen, kuten sähkökenttää käsittelevässä artikkelissa on kuvattu, voidaan toteuttaa mielen avulla, mutta sen voi vain kuvitella mielessä. Sähkökentän visualisoimiseksi esitetään sähkökenttäviivoja. Sähkökenttäviivat ovat joukko viivoja, jotka piirretään sähkövarauksen ympärille osoittamaan sähkökentän olemassaoloa. Koska tarkoituksena on osoittaa sähkökentän olemassaolo, näiden viivojen välillä on yhteys sähkökenttään. Toisin sanoen sähkökentän suuruus ja suunta voidaan selittää piirtämällä sähkökenttäviivoja.
Seuraavassa on sähkökentän suunnan ja voimakkuuden välinen suhde sähkökenttäviivojen avulla:
Ensinnäkin E:n suunta liikkuu poispäin positiivisesta varauksesta ja lähestyy negatiivista varausta. Siten myös sähkökentän viivojen suunta on poispäin positiivisesta varauksesta ja lähestyy negatiivista varausta.
Jos positiivinen varaus on negatiivisen varauksen vieressä, sähkökentän viivat vedetään positiivisesta varauksesta negatiiviseen varaukseen. Kääntäen, jos positiivinen varaus on positiivisen varauksen vieressä, sähkökentän viivat vedetään kummastakin positiivisesta varauksesta poispäin toisistaan.
Toiseksi sähkökentän voimakkuutta edustaa sähkökentän viivojen välinen etäisyys. Mitä pienempi sähkökentän viivojen välinen etäisyys on, sitä suurempi on sähkökentän voimakkuus, ja mitä suurempi sähkökentän viivojen välinen etäisyys on, sitä pienempi on sähkökentän voimakkuus.
Miksi sähkökentän voimakkuus on sitä suurempi, mitä pienempi viivojen välinen etäisyys on? Ymmärtääksesi tämän, tarkastellaan seuraavaa selitystä. Oletetaan, että pallon keskellä on positiivinen varaus ja sähkökentän viivat leviävät eri suuntiin pallon pinnan läpi. Jos sähkökentän viivojen lukumäärä on N ja pallon pinta-ala on 4πr² , niin viivojen lukumäärä pinta-alayksikköä kohti eli viivatiheys on N / 4πr² . Tämän kaavan perusteella samalle N:lle, jos r pienenee, viivojen välinen etäisyys pienenee, ja jos r kasvaa, viivojen välinen etäisyys kasvaa.
Sähkökentän voimakkuuden kaava E = kq / r² osoittaa myös, että sähkökentän voimakkuus on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Jos r on pienempi, sähkökentän voimakkuus kasvaa, ja jos r kasvaa, sähkökentän voimakkuus pienenee.
Yllä olevan tarkastelun perusteella voidaan päätellä, että jos r pienenee (mitä lähemmäksi varausta ollaan), sähkökentän voimakkuus kasvaa ja viivojen välinen etäisyys myös lähenee. Käänteisesti, jos r kasvaa (mitä kauemmas varauksesta ollaan), sähkökentän voimakkuus pienenee ja viivojen välinen etäisyys myös kasvaa.
Kolmanneksi, E-viivojen lukumäärä on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen. Mitä enemmän sähkökenttäviivoja, sitä suurempi sähkökentän voimakkuus. Mitä vähemmän sähkökenttäviivoja, sitä pienempi sähkökentän voimakkuus.
