שדה חשמלי

כמו כן, למדו את הדיון על שאלות בנושא שדה חשמלי ודוגמאות לשאלות בנושא שדה חשמלי.

כדי להקל על הבנת הכוח החשמלי שיכול לפעול מרחוק, הוצג מושג השדה. מושג השדה החשמלי פותח על ידי המדען הבריטי מייקל פאראדיי (1791–1867).

פנגרטיאן

נניח שמוט זכוכית הוא בתחילה ניטרלי חשמלית. לאחר שפשוף עם מטלית, מוט הזכוכית הופך לטעון חשמלית. כאשר למוט הזכוכית יש מטען חשמלי , מופיע בו זמנית שדה סביב מוט הזכוכית. אם מוט הזכוכית הופך לניטרלי, השדה נעלם בו זמנית מהמרחב. לכן, קיומו של שדה הוא בלתי נפרד מנוכחות מטען חשמלי. שדה חשמלי אינו סוג של חומר כמו אוויר ולא סוג של גל כמו גלים אלקטרומגנטיים, אלא משהו שנוצר על ידי מטען חשמלי ומשפיע על המרחב סביב המטען החשמלי, שם השפעתו מורגשת רק על ידי מטענים חשמליים אחרים.

כדי לבדוק האם קיים שדה במרחב, מניחים שקיים מטען בדיקה באותו מרחב. מטען הבדיקה הוא מטען (Q) קטן כל כך שהוא מייצר שדה קטן מאוד ולכן ניתן להתעלם ממנו. עם זאת, מטען הבדיקה יכול לחוש את השפעת השדה הנוצר על ידי מטענים חשמליים אחרים. מטען הבדיקה קיים רק כדי לבדוק האם קיים שדה חשמלי. אם קיים כזה, מטען הבדיקה יחווה השפעה בצורת כוח חשמלי. לעומת זאת, אם אין כזה, מטען הבדיקה לא יחווה כוח חשמלי.

תסתכלו על התמונה בצד.
באיור 1, המטען +q₁ ומטען +q₂ מייצר שדה חשמלי במרחב שמסביב. כאשר מטען בדיקה +q ממוקם_o בנקודה במרחב, מטען הבדיקה +q_o חווה כוח חשמלי. F₁ הוא הכוח החשמלי המופעל על ידי המטען +q₁ במטען בדיקה +q_o ו-F₂ הוא הכוח החשמלי המופעל על ידי המטען +q₂ במטען בדיקה +q_oבאיור 2, כאשר מטען הבדיקה מוסר, השדה נשאר ואינו נעלם מאותה נקודה.₁ הוא השדה המופק על ידי מטען חשמלי +q₁ ו-E₂ הוא השדה המופק על ידי מטען חשמלי +q₂.

עוצמת השדה

שדה חשמלי הוא גודל וקטורי, בעל גודל וכיוונו כאחד. עוצמת השדה החשמלי בנקודה מוגדרת ככוח החשמלי שמפעיל מטען חשמלי על מטען בדיקה חיובי הממוקם בנקודה זו, מחולק בגודל מטען הבדיקה.
מידע:
E = עוצמת השדה
F = כוח חשמלי
q = גודל מטען הבדיקה
מידע:
Q = מטען חשמלי
r = המרחק בין המטען החשמלי למטען הבדיקה
(קרי: אפסילון אפס) = מקדם הפעולה של מרחב ריק = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = קבוע קולומב = 9 x 10⁹ ננומטר²/C²

יחידת המדידה של כוח חשמלי היא ניוטון ויחידת המטען החשמלי היא קולון, ולכן יחידת המדידה של שדה היא ניוטון/קולון, בקיצור N/C.

כיוון

 
תסתכלו על התמונה בצד
פדה איור 1א, מטען חשמלי חיובי (+Q) מפעיל כוח חשמלי על מטען בדיקה חיובי (+q), כאשר כיוון הכוח החשמלי (F) אינו כיוון המטען +Q.
פדה איור 1ב, כאשר מטען הבדיקה מוסר, בנקודה זו יש שדה (E) שכיוונו הוא הרחק מהמטען החשמלי Q.
פדה איור 2א, מטען חשמלי שלילי (-Q) מפעיל כוח חשמלי על מטען בדיקה חיובי (+q), כאשר כיוון הכוח החשמלי (F) מתקרב למטען -Q.
פדה איור 2ב, כאשר מטען הבדיקה מוסר, בנקודה זו יש שדה (E) שכיוונו קרוב למטען החשמלי -Q.
בהתבסס על התמונה וההסבר לעיל, ניתן להסיק שכיוון השדה הוא הרחק מהמטען החשמלי החיובי ולכיוון המטען החשמלי השלילי.

דוגמה לבעיות

1. נקודה A ממוקמת בשדה חשמלי. עוצמת השדה החשמלי בנקודה A היא 0,4 ניוטון/קלוריס. אם ממקמים בנקודה A גוף בעל מטען של 0,2 קלוריס, יפעל כוח קולומב של...
א. 0,2 צפון
ב. 0,4 צפון
C. 0,6 צפון
ד. 0,7 צפון
מזרח 0,8 צפון
דיון:
זה ידוע :
E = 0,4 N/C
q = 0,2 מעלות צלזיוס
נשאל :
כוח חשמלי?
ג'וואב :
F = q E = (0,2 ג)(4 ננומטר/ג) = 0,8 ננומטר
התשובה הנכונה היא ה'.

2. נקודה טעונה q נמצא בנקודה A בשדה החשמלי שנוצר על ידי המטען (+) כך שהוא חווה כוח של 0,1 ניוטון בכיוון המטען q. אם עוצמת השדה בנקודה A היא 0,02 ניוטון/צלזיוס, אז גודל וסוג המטען q הם...
א. 5,0 מעלות צלזיוס, חיובי
ב. 5,0 מעלות צלזיוס, שלילי
ג. 4,0 מעלות צלזיוס, חיובי
ד. 2,5 מעלות צלזיוס, שלילי
E. 2,5 מעלות צלזיוס, חיובי
דיון:
זה ידוע :
F = 0,1N
E = 0,02 N/C
נשאל :
מהו גודלו וכיוונו של המטען q?
ג'וואב :
גודל המטען q:
F = q E
q = F / E = 0,1 N : 0,02 N/C = 5C
סוג המטען q:
כיוון כוח קולומב הוא לכיוון המטען q, ולכן המטען q חייב להיות חיובי.