שדה חשמלי

מאמר על השדה החשמלי

בנושא המטען החשמלי, נלמד כי מטענים דומים דוחים זה את זה, בעוד שמטענים לא דומים מושכים זה את זה. אם גוף טעון חיובי מתקרב לגוף טעון שלילי, שני העצמים נמשכים זה לזה כך שהם נעים זה לעבר זה. לעומת זאת, אם גוף טעון חיובי מתקרב לגוף טעון חיובי, אז שני העצמים דוחים זה את זה כך שהם מתרחקים זה מזה. כפי שנלמד בנושא חוק קולומב, גופים טעונים חשמלית יכולים להאיץ גופים טעונים חשמלית אחרים מכיוון שקיים כוח חשמלי הפועל ביניהם. הכוח החשמלי שמפעיל גוף טעון חשמלית על גופים טעונים חשמלית אחרים הוא דוגמה לכוח שיכול לפעול ללא מגע. דוגמה נוספת לכוח שיכול לפעול מרחוק היא כוח הכבידה . כוח הכבידה מפעיל גוף בעל מסה על גופים בעלי מסה אחרים.

כוח חיכוך , כוח דחף וכוח נורמלי הם דוגמאות לכוחות שקל להבין משום שכוחות אלה פועלים כאשר מתרחש מגע. לעומת זאת, הכוח החשמלי הוא דוגמה לכוח שקשה להבין משום שכוח זה יכול לפעול ממרחק מסוים ללא מגע. כדי להבין את הכוח החשמלי שיכול לפעול ממרחק מסוים, מופיע מושג השדה החשמלי. מושג השדה החשמלי פותח על ידי המדען הבריטי מייקל פאראדיי (1791-1867).

הגדרת השדה החשמלי (E)

נניח שזכוכית הייתה בתחילה ניטרלית חשמלית. לאחר שפשוף עם מטלית, מוט הזכוכית הופך לטעון חשמלית. כאשר מוט הזכוכית הופך לטעון חשמלית, בו זמנית, מופיע שדה חשמלי סביב הזכוכית. אם הזכוכית הופכת לנייטרלית, בו זמנית השדה החשמלי נעלם. לכן, לא ניתן להפריד בין קיומו של E לבין נוכחותו של מטען חשמלי. ה-E אינו סוג של חומר כמו אוויר ואינו סוג של גל, כמו גלים אלקטרומגנטיים. E הוא משהו הנגרם על ידי מטען חשמלי ומשפיע על החלל סביב מטען חשמלי, כאשר מטענים חשמליים אחרים חשים רק את השפעתו של E.

כדי לבדוק האם יש E בחדר, מניחים שיש מטען בדיקה באותו חלל. מטען הבדיקה הוא מטען מינימלי (Q) כך שהמטען מייצר שדה חשמלי זעיר, ולכן ניתן להתעלם ממנו. עם זאת, מטען הבדיקה יכול לחוש את השפעת השדה החשמלי שנוצר על ידי מטענים חשמליים אחרים. מטען הבדיקה מוצג רק כדי לבדוק האם יש E. אם יש E בחלל,

מטען הבדיקה חייב לחוות את הכוח החשמלי, בעוד שאם אין E, מטען הבדיקה אינו חווה את הכוח החשמלי.

תסתכלו על הדמות בצד.

באיור 1, המטען +q1 _והמטען +q2 _יוצרים E במרחב שמסביב. כאשר מטען הבדיקה +qo _ממוקם בנקודה במרחב, מטען הבדיקה + qo חווה כוח חשמלי. _F1 הוא הכוח החשמלי שמפעיל המטען +q1 _על מטען הבדיקה +qo _, ו-F2 _הוא הכוח החשמלי שמפעיל המטען +q2 _על מטען הבדיקה +qo _{. באיור} 2, כאשר מטען הבדיקה מוסר, ה-E נשאר ואינו נעלם מאותה נקודה. E1 _הוא שדה חשמלי המופק על ידי מטען חשמלי +q1 _, ו-E2 _הוא E המופק על ידי מטען חשמלי + _q2.

גודל השדה החשמלי

ה-E הוא גודל וקטורי, שבו לשדה החשמלי יש גודל וכיוון. גודל ה-E מכונה בדרך כלל עוצמת E. עוצמת ה-E בנקודה מוגדרת ככוח החשמל המופעל על ידי מטען חשמלי על מטען בדיקה חיובי הממוקם בנקודה זו, מחולק בגודל מטען הבדיקה.

E = עוצמת שדה חשמלי

F = כוח חשמלי

q = מטען בדיקה

יחידת המידה של הכוח החשמלי היא ניוטון, ויחידת המטען החשמלי היא קולון, כך שיחידת ה-E היא ניוטון / קולון, בקיצור N/C.

כיוון השדה החשמלי

באיור 1א', מטען חשמלי חיובי (+Q) מפעיל את הכוח החשמלי על מטען הבדיקה החיובי (+q), כאשר כיוון הכוח החשמלי (F) אינו כיוון המטען של +Q.

באיור 1b, כאשר מטען הבדיקה מוסר, בנקודה זו יש שדה חשמלי (E) שכיוונו הוא הרחק מהמטען החשמלי Q.

באיור 2א', מטען חשמלי שלילי (-Q) מפעיל את הכוח החשמלי במטען בדיקה חיובי (+q), כאשר כיוון הכוח החשמלי (F) מתקרב למטען -Q.

באיור 2b, כאשר מטען הבדיקה מוסר, בנקודה זו יש שדה חשמלי (E) שכיוונו קרוב למטען החשמלי -Q.

בהתבסס על האיור וההסבר לעיל, ניתן להסיק שכיוון השדה החשמלי הוא הרחק מהמטען החשמלי החיובי ומתקרב למטען החשמלי השלילי.

קווי שדה חשמליים

ה-E נוצר על ידי מטען חשמלי ומשפיע על המרחב סביב המטען החשמלי, כאשר השפעת ה-E מורגשת רק על ידי מטענים חשמליים אחרים. כאשר מטען חשמלי אחר נמצא בתוך ה-E שנוצר על ידי מטען חשמלי, מטען חשמלי אחר חש את השפעת הכוח החשמלי.

הבנת השדה החשמלי לעיל, כפי שתואר במאמר על ה-E, ניתנת למימוש באמצעות המחשבה אך ניתנת לדמיון רק באמצעות המחשבה. כדי לדמיין E, מוצגים קווי שדה חשמליים. קווי שדה חשמלי הם קבוצת קווים המצוירים סביב מטען חשמלי כדי להצביע על קיומו של שדה חשמלי. מכיוון שהמטרה היא להראות את נוכחותו של E, קיים קשר בין קווים אלה לבין E. במילים אחרות, ניתן להסביר את גודלו וכיוונו של ה-E על ידי ציור קווי שדה חשמלי.

להלן הקשר בין כיוון ועוצמת השדה החשמלי עם קווי שדה חשמליים:

ראשית, כיוון ה-E מתרחק מהמטען החיובי ומתקרב למטען השלילי. לכן, כיוון קווי השדה החשמלי גם הוא מתרחק מהמטען החיובי ומתקרב למטען השלילי.

אם המטען החיובי צמוד למטען השלילי, קווי השדה החשמלי נמשכים החוצה מהמטען החיובי אל המטען השלילי. לעומת זאת, אם מטען חיובי צמוד למטען חיובי, קווי השדה החשמלי נמשכים החוצה מכל מטען חיובי ומתרחקים זה מזה.

שנית, עוצמת השדה החשמלי מיוצגת על ידי המרחק בין קווי השדה החשמלי. ככל שהמרחק בין קווי השדה החשמלי קרוב יותר, כך עוצמת השדה החשמלי גבוהה יותר, וככל שהמרחק בין קווי השדה החשמלי גדול יותר, כך עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.

מדוע, ככל שהמרחק בין הקווים קרוב יותר, כך עוצמת השדה החשמלי גבוהה יותר? כדי להבין זאת, נבחן את ההסבר הבא. נניח שמטען חיובי נמצא במרכז הכדור וקווי השדה החשמלי מתפרסים בכיוונים שונים על פני הכדור. אם מספר קווי השדה החשמלי הוא N ושטח הפנים של הכדור הוא 4πr² ^, אז מספר הקווים ליחידת שטח או צפיפות הקווים הוא N / 4πr² ^. בהתבסס על נוסחה זו, עבור אותו N, אם r קטן, המרחק בין הקווים מתקרב, ואם r גדול יותר, המרחק בין הקווים מתרחב.

נוסחת עוצמת השדה החשמלי E = kq / r² ^מראה גם שעוצמת השדה החשמלי היא ביחס הפוך לריבוע המרחק. אם r קטן יותר, אז עוצמת השדה החשמלי בולטת יותר, ואם r בולט יותר, אז עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.

בהתבסס על הסקירה לעיל, ניתן להסיק שאם r קטן (מתקרב למטען), עוצמת השדה החשמלי גדלה והמרחק בין הקווים גם הוא מתקרב. לעומת זאת, אם r בולט יותר (ככל שהוא רחוק יותר מהמטען), עוצמת השדה החשמלי קטנה והמרחק בין הקווים גם הוא מתרחק.

שלישית, מספר קווי ה-E פרופורציונלי לעוצמת השדה החשמלי. ככל שיש יותר קווי שדה חשמלי, כך עוצמת השדה החשמלי גבוהה יותר. ככל שיש פחות קווי שדה חשמלי, כך עוצמת השדה החשמלי קטנה יותר.