Grein um rafsviðið
Varðandi rafhleðslu kom í ljós að eins hleðslur hrinda hvor annarri frá sér, en ólíkar hleðslur draga hvor aðra að sér. Ef jákvætt hlaðinn hlutur er færður nálægt neikvætt hlaðnum hlut, þá toga hlutirnir tveir saman þannig að þeir færast hvor að öðrum. Aftur á móti, ef jákvætt hlaðinn hlutur er færður nálægt jákvætt hlaðnum hlut, þá hrinda hlutirnir tveir hvor öðrum frá sér þannig að þeir færast frá hvor öðrum. Eins og rannsakað var í tengslum við lögmál Coulombs, geta rafhlaðnir hlutir hraðað öðrum rafhlaðnum hlutum vegna þess að rafkraftur verkar á milli þessara rafhlaðnu hluta. Rafkrafturinn sem rafhlaðinn hlutur verkar á aðra rafhlaðna hluti er eitt dæmi um kraft sem getur verkað án snertingar. Annað dæmi um kraft sem getur verkað úr fjarlægð er þyngdarkrafturinn . Þyngdarkrafturinn er beittur af massamiklum hlut á aðra massaða hluti.
Núningskraftur , þrýstikraftur og normalkraftur eru dæmi um krafta sem auðvelt er að skilja því þeir virka þegar þeir verða fyrir snertingu. Rafkraftur er hins vegar dæmi um kraft sem erfitt er að skilja því hann getur virkað úr ákveðinni fjarlægð án snertingar. Til að skilja rafkraft sem getur virkað úr ákveðinni fjarlægð er hugtakið rafsvið notað. Breski vísindamaðurinn Michael Faraday (1791-1867) þróaði hugtakið rafsvið.
Skilgreining á rafsviði (E)
Segjum sem svo að gler hafi upphaflega verið rafmagnslaust. Eftir að hafa verið nuddað með klút verður glerstöngin rafhlaðin. Þegar glerstöngin verður rafhlaðin myndast rafsvið í kringum glerið. Ef glerið verður hlutlaust hverfur rafsviðið um leið. Því er ekki hægt að aðgreina tilvist E frá nærveru rafhleðslu. E er ekki tegund efnis eins og loft og ekki tegund bylgju eins og rafsegulbylgjur. E er eitthvað sem orsakast af rafhleðslu og hefur áhrif á rýmið í kringum rafhleðslu, þar sem aðrar rafhleðslur finna aðeins fyrir áhrifum E.
Til að prófa hvort E sé til staðar í herbergi er gert ráð fyrir að prófunarhleðsla sé í því rými. Prófunarhleðslan er lágmarkshleðsla (Q) þannig að hleðslan framleiðir rafsvið sem er agnarsmátt og því hægt að hunsa það. Hins vegar getur prófunarhleðslan fundið fyrir áhrifum rafsviðsins sem myndast af öðrum rafhleðslum. Prófunarhleðslan er eingöngu sýnd til að kanna hvort E sé til staðar. Ef E er til staðar í rýminu,
Prófunarhleðslan verður að verða fyrir rafkraftinum, en ef E er ekki til staðar, þá verður prófunarhleðslan ekki fyrir rafkraftinum.
Skoðið myndina hér til hliðar.
Á mynd 1 mynda hleðslan +q1 og hleðslan +q2 E í nærliggjandi rými. Þegar prófunarhleðslan +qo er sett á punkt í rýminu, verður prófunarhleðslan +qo fyrir rafkrafti. F1 er rafkrafturinn sem hleðslan + q1 verkar á prófunarhleðsluna + qo , og F2 er rafkrafturinn sem hleðslan +q2 verkar á prófunarhleðsluna +qo . Á mynd 2, þegar prófunarhleðslan er fjarlægð, helst E til staðar og hverfur ekki frá þeim punkti. E1 er rafsvið sem myndast af rafhleðslu +q1 , og E2 er E sem myndast af rafhleðslu + q2.
Stærð rafsviðsins
Rafmagnssviðið E er vigurstærð þar sem rafsviðið hefur stærð og stefnu. Stærð E er venjulega kölluð styrkur E. Styrkur E í punkti er skilgreindur sem kraftur rafmagns sem rafhleðsla beitir á jákvæða prófunarhleðslu sem staðsett er á þeim punkti, deilt með stærð prófunarhleðslunnar.
E = styrkur rafsviðs
F = rafkraftur
q = prófunarhleðsla
Eining rafkrafts er Newton og eining rafhleðslu er Coulomb, þannig að eining E er Newton / Coulomb, skammstafað N/C.
Stefna rafsviðsins
Á mynd 1a verkar jákvæð rafhleðsla (+Q) rafkraft á jákvæðu prófunarhleðsluna (+q), þar sem stefna rafkraftsins (F) er frá hleðslunni +Q.
Á mynd 1b, þegar prófunarhleðslan er fjarlægð, er á þessum tímapunkti rafsvið (E) sem stefnir frá rafhleðslunni Q.
Á mynd 2a verkar neikvæð rafhleðsla (-Q) rafkraftinn í jákvæðri prófunarhleðslu (+q), þar sem stefna rafkraftsins (F) nálgast hleðsluna -Q.
Á mynd 2b, þegar prófunarhleðslan er fjarlægð, er á þessum tímapunkti rafsvið (E) sem hefur stefna sem er nálægt rafhleðslunni -Q.
Út frá myndinni og útskýringunni hér að ofan má álykta að stefna rafsviðsins sé frá jákvæðu rafhleðslunni og nálgast neikvæðu rafhleðsluna.
Rafmagns sviðslínur
Rafhleðsla myndar E og hefur áhrif á rýmið í kringum rafhleðsluna, þar sem áhrif E-sins verða aðeins fyrir áhrifum annarra rafhleðslu. Þegar önnur rafhleðsla er í E-inu sem rafhleðslan myndar, þá nemur önnur rafhleðsla áhrif rafkrafts.
Að skilja rafsviðið hér að ofan, eins og lýst er í greininni um rafsviðið E, er hægt að gera með huganum en aðeins ímynda sér það með huganum. Til að sjá rafsvið fyrir sér eru rafsviðslínur kynntar. Rafsviðslínur eru safn lína sem teiknaðar eru umhverfis rafhleðslu til að gefa til kynna tilvist rafsviðs. Þar sem markmiðið er að sýna fram á tilvist rafsviðs er tengsl milli þessara lína við rafsviðið E. Með öðrum orðum er hægt að útskýra stærð og stefnu rafsviðsins með því að teikna rafsviðslínur.
Eftirfarandi er sambandið milli stefnu og styrks rafsviðs með rafsviðslínum:
Í fyrsta lagi færist stefna E frá jákvæðu hleðslunni og nálgast neikvæðu hleðsluna. Þannig er stefna rafsviðslínanna einnig frá jákvæðu hleðslunni og nálgast neikvæðu hleðsluna.
Ef jákvæða hleðslan liggur að neikvæðu hleðslunni, þá eru rafsviðslínurnar dregnar út frá jákvæðu hleðslunni að neikvæðu hleðslunni. Aftur á móti, ef jákvæð hleðsla liggur að jákvæðri hleðslu, þá eru rafsviðslínurnar dregnar út frá hverri jákvæðu hleðslu og frá hvor annarri.
Í öðru lagi er styrkur rafsviðsins táknaður með fjarlægðinni milli rafsviðslínanna. Því minni sem fjarlægðin er milli rafsviðslínanna, því meiri er styrkur rafsviðsins og því meiri sem fjarlægðin er milli rafsviðslínanna, því minni er styrkur rafsviðsins.
Hvers vegna er rafmagnsstyrkurinn meiri því minni sem fjarlægðin er milli línanna? Til að skilja þetta skaltu skoða eftirfarandi útskýringu. Segjum sem svo að jákvæð hleðsla sé í miðju kúlunnar og rafmagnslínurnar dreifist í ýmsar áttir um yfirborð kúlunnar. Ef fjöldi rafmagnslína er N og yfirborðsflatarmál kúlunnar er 4πr² , þá er fjöldi lína á flatarmálseiningu eða línuþéttleiki N / 4πr² . Samkvæmt þessari formúlu, fyrir sama N, ef r minnkar, þá minnkar fjarlægðin milli línanna og ef r verður marktækt, þá eykst fjarlægðin milli línanna.
Formúlan fyrir rafsviðsstyrk E = kq / r² sýnir einnig að rafsviðsstyrkurinn er í öfugu hlutfalli við ferning fjarlægðarinnar. Ef r er minna, þá verður rafsviðsstyrkurinn áberandi, og ef r verður áberandi, þá minnkar rafsviðsstyrkurinn.
Byggt á ofangreindri yfirferð má álykta að ef r er að minnka (því nær sem það er hleðslunni) þá eykst rafmagnsstyrkurinn og fjarlægðin milli línanna eykst einnig. Aftur á móti, ef r er áberandi (því fjær sem það er hleðslunni), þá minnkar rafmagnsstyrkurinn og fjarlægðin milli línanna eykst einnig.
Í þriðja lagi er fjöldi E-lína í réttu hlutfalli við styrk rafsviðsins. Því fleiri rafsviðslínur, því meiri er styrkur rafsviðsins. Því færri rafsviðslínur, því minni er styrkur rafsviðsins.
