Cikk az elektromos mezőről
Az elektromos töltés témájában megtanultuk, hogy az azonos töltések taszítják, míg a különböző töltések vonzzák egymást. Ha egy pozitív töltésű tárgyat egy negatív töltésű tárgy közelébe viszünk, a két tárgy egymáshoz húzódik, így egymás felé mozdulnak el. Fordítva, ha egy pozitív töltésű tárgyat egy pozitív töltésű tárgy közelébe viszünk, akkor a két tárgy taszítja egymást, így távolodnak egymástól. Ahogyan Coulomb törvényének tanulmányozása során is tanultuk, az elektromosan töltött tárgyak felgyorsíthatnak más elektromosan töltött tárgyakat, mert elektromos erő hat közöttük. Az elektromosan töltött tárgy által más elektromosan töltött tárgyakra kifejtett elektromos erő egy példa az olyan erőre, amely érintkezés nélkül is ható. Egy másik példa a távolról ható erőre a gravitációs erő . A gravitációs erőt egy tömegű tárgy fejti ki más tömegű tárgyakra.
A súrlódási erő , a tolóerő és a normálerő olyan erők példái, amelyeket könnyű megérteni, mivel ezek az erők érintkezéskor hatnak. Ezzel szemben az elektromos erő egy nehezen érthető erőre példa, mivel ez az erő bizonyos távolságból is hathat érintés nélkül. Ahhoz, hogy megértsük a bizonyos távolságból ható elektromos erőt, megjelenik az elektromos tér fogalma. Az elektromos tér fogalmát Michael Faraday (1791-1867) brit tudós dolgozta ki.
Az elektromos tér (E) definíciója
Tegyük fel, hogy egy üveg kezdetben elektromosan semleges. Miután egy ruhával dörzsöljük, az üvegrúd elektromosan feltöltődik. Amikor az üvegrúd elektromosan feltöltődik, egyidejűleg egy elektromos mező jelenik meg az üveg körül. Ha az üveg semlegessé válik, egyidejűleg az elektromos mező eltűnik. Tehát az E létezése nem választható el az elektromos töltés jelenlététől. Az E nem egyfajta anyag, mint a levegő, és nem egyfajta hullám, mint az elektromágneses hullámok. Az E-t egy elektromos töltés okozza, és az elektromos töltés körüli térre hat, ahol más elektromos töltések csak az E hatását érzik.
Annak vizsgálatához, hogy van-e E egy szobában, feltételezzük, hogy van egy teszttöltés abban a térben. A teszttöltés egy minimális töltés (Q) , így egy apró elektromos mezőt hoz létre, így elhanyagolható. A teszttöltés azonban érezheti más elektromos töltések által generált elektromos mező hatását. A teszttöltést csak azért mutatjuk be, hogy megvizsgáljuk, van-e E. Ha van E a térben,
A teszttöltésnek elektromos erőhatást kell tapasztalnia, míg ha nincs E, a teszttöltés nem tapasztal elektromos erőhatást.
Nézd meg az oldalán lévő ábrát.
Az 1. ábrán a +q1 és a +q2 töltés E erőteret hoz létre a környező térben. Amikor a +qo teszttöltést a tér egy pontjába helyezzük, a +qo teszttöltés elektromos erőhatásnak van kitéve. F1 az az elektromos erő, amelyet a + q1 töltés fejt ki a + qo teszttöltésre , F2 pedig az az elektromos erő , amelyet a + q2 töltés fejt ki a + qo teszttöltésre . A 2. ábrán a teszttöltés eltávolításakor az E megmarad, és nem tűnik el arról a pontról. E1 egy + q1 elektromos töltés által létrehozott elektromos mező , E2 pedig egy + q2 elektromos töltés által létrehozott E.
Az elektromos tér nagysága
Az E egy vektormennyiség, ahol az elektromos térnek van egy nagysága és egy iránya. Az E nagyságát általában E-erősségnek nevezik. Az E erőssége egy pontban az elektromos töltés által az adott pontban elhelyezett pozitív teszttöltésre kifejtett elektromos erő és a teszttöltés nagyságának hányadosa.
E = elektromos térerősség
F = elektromos erő
q = teszttöltés
Az elektromos erő mértékegysége Newton, az elektromos töltés mértékegysége pedig Coulomb, így az E mértékegysége Newton / Coulomb, rövidítve N/C.
Az elektromos mező iránya
Az 1a. ábrán egy pozitív elektromos töltés (+Q) fejt ki elektromos erőt a pozitív teszttöltésre (+q), ahol az elektromos erő (F) iránya eltér a +Q töltésétől.
Az 1b ábrán, amikor a teszttöltést eltávolítjuk, ezen a ponton egy elektromos tér (E) jelenik meg, amelynek iránya eltér a Q elektromos töltéstől.
A 2a. ábrán egy negatív elektromos töltés (-Q) fejti ki az elektromos erőt egy pozitív teszttöltésben (+q), ahol az elektromos erő (F) iránya közeledik a -Q töltéshez.
A 2b. ábrán, amikor a teszttöltést eltávolítjuk, ezen a ponton egy elektromos tér (E) keletkezik, amelynek iránya közel van a -Q elektromos töltés irányához.
A fenti ábra és magyarázat alapján arra lehet következtetni, hogy az elektromos tér iránya a pozitív elektromos töltéstől elfelé mutat, és a negatív elektromos töltés felé közeledik.
Elektromos terepi vezetékek
Az E-t egy elektromos töltés hozza létre , és hatással van az elektromos töltés körüli térre, ahol az E hatását csak más elektromos töltések érzik. Amikor egy másik elektromos töltés van az elektromos töltés által generált E-ben, egy másik elektromos töltés érzékeli az elektromos erő hatását.
A fenti elektromos mező megértése, ahogyan azt az E-ről szóló cikkben leírtuk, megvalósítható az elmével, de csak elképzelhető az elmében. Az E vizualizálásához elektromos mezővonalakat mutatunk be. Az elektromos mezővonalak egy elektromos töltés köré húzott vonalak, amelyek az elektromos mező létezését jelzik. Mivel célja az E jelenlétének bemutatása, ezen vonalak és az E között kapcsolat van. Más szóval, az E nagysága és iránya elektromos mezővonalak rajzolásával magyarázható.
A következő az irány és az elektromos térerősség közötti összefüggés az elektromos térerősség vonalakkal:
Először is, az E iránya eltávolodik a pozitív töltéstől és közeledik a negatív töltéshez. Így az elektromos erővonalak iránya is eltávolodik a pozitív töltéstől és közeledik a negatív töltéshez.
Ha a pozitív töltés a negatív töltéssel szomszédos, az elektromos térerő vonalak a pozitív töltésből a negatív töltés felé húzódnak. Fordítva, ha egy pozitív töltés egy pozitív töltéssel szomszédos, az elektromos térerő vonalak az egyes pozitív töltésekből kihúzódnak egymástól távolodva.
Másodszor, az elektromos térerősséget az elektromos térerősség vonalak közötti távolsággal fejezzük ki. Minél kisebb a távolság az elektromos térerősség vonalai között, annál nagyobb az elektromos tér erőssége, és minél nagyobb a távolság az elektromos térerősség vonalai között, annál kisebb az elektromos térerősség.
Miért van az, hogy minél kisebb a távolság a vonalak között, annál nagyobb az elektromos térerősség? Ennek megértéséhez tekintsük a következő magyarázatot. Tegyük fel, hogy egy pozitív töltés van a gömb közepén, és az elektromos térerősség vonalak különböző irányokba terjednek a gömb felületén keresztül. Ha az elektromos térerősség vonalak száma N, és a gömb felülete 4πr² , akkor az egységnyi területre jutó vonalak száma, vagyis a vonalsűrűség N / 4πr² . E képlet alapján, ugyanannál az N értéknél, ha r kisebb lesz, a vonalak közötti távolság közelebb lesz, és ha r nagyobb lesz, a vonalak közötti távolság távolodik.
Az E = kq / r 2 elektromos térerősség képlete azt is mutatja, hogy az elektromos térerősség fordítottan arányos a távolság négyzetével. Ha r kisebb, akkor az elektromos térerősség hangsúlyosabbá válik, és ha r hangsúlyosabbá válik, akkor az elektromos térerősség kisebb lesz.
A fenti áttekintés alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy ha r kisebb lesz (minél közelebb kerül a töltéshez), az elektromos térerősség nagyobb lesz, és a vonalak közötti távolság is közelebb kerül. Fordítva, ha r nagyobb lesz (minél távolabb van a töltéstől), az elektromos térerősség kisebb lesz, és a vonalak közötti távolság is közelebb kerül.
Harmadszor, az E vonalak száma arányos az elektromos térerősséggel. Minél több az elektromos térerősség, annál nagyobb az elektromos térerősség. Minél kevesebb az elektromos térerősség, annál kisebb az elektromos térerősség.
