Artikel over het elektrische veld
Wat betreft elektrische lading, werd geleerd dat gelijke ladingen elkaar afstoten, terwijl tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Als een positief geladen object dicht bij een negatief geladen object wordt gebracht, trekken de twee objecten elkaar aan en bewegen ze naar elkaar toe. Omgekeerd, als een positief geladen object dicht bij een positief geladen object wordt gebracht, stoten de twee objecten elkaar af en bewegen ze van elkaar af. Zoals bestudeerd in het kader van de wet van Coulomb, kunnen elektrisch geladen objecten andere elektrisch geladen objecten versnellen, omdat er een elektrische kracht tussen deze objecten werkt. De elektrische kracht die een elektrisch geladen object uitoefent op andere elektrisch geladen objecten is een voorbeeld van een kracht die zonder contact kan werken. Een ander voorbeeld van een kracht die op afstand kan werken, is de zwaartekracht . De zwaartekracht wordt uitgeoefend door een object met massa op andere objecten met massa.
Wrijvingskracht , stuwkracht en normaalkracht zijn voorbeelden van krachten die gemakkelijk te begrijpen zijn, omdat deze krachten werken wanneer er contact is. De elektrische kracht daarentegen is een voorbeeld van een kracht die moeilijk te begrijpen is, omdat deze kracht op een bepaalde afstand kan werken zonder aanraking. Om de elektrische kracht die op een bepaalde afstand kan werken te begrijpen, komt het concept van het elektrische veld in beeld. Het concept van het elektrische veld werd ontwikkeld door de Britse wetenschapper Michael Faraday (1791-1867).
Definitie van het elektrische veld (E)
Stel dat een glazen staaf aanvankelijk elektrisch neutraal was. Nadat deze met een doek is gewreven, raakt de glazen staaf elektrisch geladen. Wanneer de glazen staaf elektrisch geladen raakt, ontstaat er tegelijkertijd een elektrisch veld rond het glas. Als het glas weer neutraal wordt, verdwijnt het elektrische veld. Het bestaan van een elektrisch veld (E) is dus onlosmakelijk verbonden met de aanwezigheid van een elektrische lading. Een elektrisch veld is geen substantie zoals lucht en ook geen golfvorm zoals elektromagnetische golven. Een elektrisch veld wordt veroorzaakt door een elektrische lading en beïnvloedt de ruimte rondom die lading, waar andere elektrische ladingen alleen de invloed van het elektrische veld ondervinden.
Om te testen of er een elektrische lading (E) in een ruimte aanwezig is, wordt aangenomen dat er een testlading in die ruimte is. De testlading is een minimale lading (Q), zodat het elektrische veld dat de lading produceert zo klein is dat het verwaarloosbaar is. De testlading kan echter wel de invloed voelen van het elektrische veld dat door andere elektrische ladingen wordt gegenereerd. De testlading is er alleen om te onderzoeken of er een elektrische lading (E) aanwezig is. Als er een elektrische lading (E) in de ruimte aanwezig is,
De testlading moet de elektrische kracht ondervinden; als er geen E aanwezig is, ondervindt de testlading geen elektrische kracht.
Kijk naar de afbeelding aan de zijkant.
In figuur 1 produceren de ladingen +q 1 en +q 2 een elektrisch veld (E) in de omringende ruimte. Wanneer de testlading +q o op een punt in de ruimte wordt geplaatst, ondervindt deze een elektrische kracht. F 1 is de elektrische kracht die de lading + q 1 uitoefent op de testlading +q o , en F 2 is de elektrische kracht die de lading +q 2 uitoefent op de testlading +q o . In figuur 2 blijft het elektrische veld (E) aanwezig en verdwijnt het niet van dat punt wanneer de testlading wordt verwijderd. E 1 is een elektrisch veld geproduceerd door een elektrische lading +q 1 , en E 2 is een elektrisch veld (E) geproduceerd door een elektrische lading +q 2.
De grootte van het elektrische veld
De elektrische veldsterkte (E) is een vectorgrootheid, waarbij het elektrische veld een grootte en een richting heeft. De grootte van een E wordt meestal aangeduid als de veldsterkte. De veldsterkte op een punt wordt gedefinieerd als de kracht die een elektrische lading uitoefent op een positieve testlading die op dat punt is geplaatst, gedeeld door de grootte van de testlading.
E = elektrische veldsterkte
F = elektrische kracht
q = testlading
De eenheid van de elektrische kracht is Newton, en de eenheid van de elektrische lading is Coulomb, zodat de eenheid van E Newton/Coulomb is, afgekort als N/C.
De richting van het elektrische veld
In figuur 1a oefent een positieve elektrische lading (+Q) een elektrische kracht uit op de positieve testlading (+q), waarbij de richting van de elektrische kracht (F) van de lading +Q af gericht is.
In figuur 1b is te zien dat wanneer de testlading wordt verwijderd, er op dit punt een elektrisch veld (E) ontstaat waarvan de richting van de elektrische lading Q afwijst.
In figuur 2a oefent een negatieve elektrische lading (-Q) een elektrische kracht uit op een positieve testlading (+q), waarbij de richting van de elektrische kracht (F) de lading -Q nadert.
In figuur 2b is te zien dat er, wanneer de testlading wordt verwijderd, op dit punt een elektrisch veld (E) ontstaat waarvan de richting dicht bij die van de elektrische lading -Q ligt.
Op basis van de bovenstaande afbeelding en uitleg kan worden geconcludeerd dat de richting van het elektrische veld weg is van de positieve elektrische lading en naar de negatieve elektrische lading toe is.
Elektrische veldlijnen
Het elektrische veld (E) wordt opgewekt door een elektrische lading en beïnvloedt de ruimte eromheen. De invloed van het E wordt alleen gevoeld door andere elektrische ladingen. Wanneer een andere elektrische lading zich in het door een elektrische lading opgewekte elektrische veld bevindt, voelt die andere elektrische lading de invloed van de elektrische kracht.
Het begrijpen van het elektrische veld zoals beschreven in het artikel over E, kan men zich voorstellen, maar kan alleen mentaal worden verbeeld. Om een E te visualiseren, worden elektrische veldlijnen weergegeven. Elektrische veldlijnen zijn een reeks lijnen die rond een elektrische lading worden getekend om het bestaan van een elektrisch veld aan te geven. Omdat het doel is om de aanwezigheid van een E aan te tonen, is er een verband tussen deze lijnen en een E. Met andere woorden, de grootte en richting van de E kunnen worden verklaard door het tekenen van elektrische veldlijnen.
Hieronder volgt het verband tussen richting en elektrische veldsterkte bij elektrische veldlijnen:
Ten eerste wijst het elektrische veld (E) weg van de positieve lading en naar de negatieve lading toe. Daardoor wijst ook het elektrische veld weg van de positieve lading en naar de negatieve lading toe.
Als een positieve lading zich naast een negatieve lading bevindt, worden de elektrische veldlijnen vanuit de positieve lading naar de negatieve lading getrokken. Omgekeerd, als een positieve lading zich naast een andere positieve lading bevindt, worden de elektrische veldlijnen vanuit elke positieve lading naar elkaar toe getrokken.
Ten tweede wordt de elektrische veldsterkte weergegeven door de afstand tussen de elektrische veldlijnen. Hoe kleiner de afstand tussen de veldlijnen, hoe sterker het elektrische veld, en hoe groter de afstand, hoe zwakker het elektrische veld.
Waarom is de elektrische veldsterkte sterker naarmate de afstand tussen de veldlijnen kleiner is? Om dit te begrijpen, bekijk de volgende uitleg. Stel dat een positieve lading zich in het midden van een bol bevindt en dat de elektrische veldlijnen zich in verschillende richtingen over het oppervlak van de bol verspreiden. Als het aantal elektrische veldlijnen N is en het oppervlak van de bol 4πr² , dan is het aantal veldlijnen per oppervlakte-eenheid, oftewel de veldlijndichtheid, gelijk aan N / 4πr² . Volgens deze formule geldt dat voor dezelfde waarde van N, als r kleiner wordt, de afstand tussen de veldlijnen kleiner wordt, en als r groter wordt, de afstand tussen de veldlijnen groter wordt.
De formule voor de elektrische veldsterkte E = kq / r² laat ook zien dat de elektrische veldsterkte omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand. Als r kleiner is, wordt de elektrische veldsterkte groter, en als r groter wordt, wordt de elektrische veldsterkte kleiner.
Op basis van bovenstaande analyse kan worden geconcludeerd dat als r kleiner wordt (dichter bij de lading), de elektrische veldsterkte groter wordt en de afstand tussen de veldlijnen ook kleiner wordt. Omgekeerd, als r groter wordt (verder van de lading), wordt de elektrische veldsterkte kleiner en de afstand tussen de veldlijnen ook groter.
Ten derde is het aantal elektrische veldlijnen evenredig met de elektrische veldsterkte. Hoe meer elektrische veldlijnen, hoe hoger de elektrische veldsterkte. Hoe minder elektrische veldlijnen, hoe lager de elektrische veldsterkte.
