Pole elektryczne

Zapoznaj się również z dyskusją na temat zagadnień pola elektrycznego i przykładami pytań dotyczących pola elektrycznego.

Aby ułatwić zrozumienie siły elektrycznej działającej na odległość, wprowadzono koncepcję pola elektrycznego. Koncepcję pola elektrycznego opracował brytyjski naukowiec Michael Faraday (1791–1867).

Definicja

Załóżmy, że szklany pręt jest początkowo elektrycznie obojętny. Po potarciu szmatką, szklany pręt staje się naładowany elektrycznie. Gdy szklany pręt ma ładunek elektryczny , jednocześnie wokół niego pojawia się pole. Gdy szklany pręt staje się obojętny, pole jednocześnie znika z przestrzeni. Zatem istnienie pola jest nierozerwalnie związane z obecnością ładunku elektrycznego. Pole elektryczne nie jest rodzajem substancji, takiej jak powietrze, ani rodzajem fali, takiej jak fale elektromagnetyczne, ale czymś, co jest generowane przez ładunek elektryczny i oddziałuje na przestrzeń wokół ładunku, gdzie jego wpływ jest odczuwalny tylko przez inne ładunki elektryczne.

Aby sprawdzić, czy w danej przestrzeni występuje pole elektryczne, zakłada się obecność ładunku testowego . Ładunek testowy to ładunek (Q), który jest tak mały, że wytwarza bardzo małe pole elektryczne i dlatego można go pominąć. Ładunek testowy może jednak podlegać wpływowi pola generowanego przez inne ładunki elektryczne. Ładunek testowy jest obecny tylko w celu sprawdzenia, czy istnieje pole elektryczne. Jeśli pole elektryczne istnieje, ładunek testowy będzie podlegał wpływowi siły elektrycznej. I odwrotnie, jeśli jej nie ma, ładunek testowy nie będzie podlegał działaniu siły elektrycznej.

Spójrz na obrazek obok.
Na rysunku 1 ładunek +q₁ i ładunek +q₂ wytwarza pole elektryczne w otaczającej przestrzeni. Po umieszczeniu ładunku testowego +q_o w punkcie przestrzeni ładunek testowy +q_o doświadczanie siły elektrycznej. F₁ jest siłą elektryczną wywieraną przez ładunek +q₁ przy obciążeniu testowym +q_o i F.₂ jest siłą elektryczną wywieraną przez ładunek +q₂ przy obciążeniu testowym +q_oNa rysunku 2, po usunięciu ładunku testowego, pole pozostaje i nie znika od tego punktu.₁ jest polem wytwarzanym przez ładunek elektryczny +q₁ i E₂ jest polem wytwarzanym przez ładunek elektryczny +q₂.

Siła pola

Pole elektryczne to wielkość wektorowa, mająca zarówno wartość, jak i kierunek. Natężenie pola elektrycznego w punkcie definiuje się jako siłę elektryczną wywieraną przez ładunek elektryczny na dodatni ładunek próbny umieszczony w tym punkcie, podzieloną przez wartość ładunku próbnego.
Keterangan:
E = natężenie pola
F = siła elektryczna
q = wielkość ładunku testowego
Keterangan:
Q = ładunek elektryczny
r = odległość między ładunkiem elektrycznym a ładunkiem testowym
(czytaj: epsilon zero) = przenikalność elektryczna pustej przestrzeni = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = stała Coulomba = 9 x 10⁹ nm²/C²

Jednostką siły elektrycznej jest niuton, a jednostką ładunku elektrycznego kulomb, więc jednostką pola jest niuton/kulomb, w skrócie N/C.

Kierunek

 
Spójrz na zdjęcie z boku
Na Rysunek 1a, dodatni ładunek elektryczny (+Q) wywiera siłę elektryczną na dodatni ładunek testowy (+q), przy czym kierunek siły elektrycznej (F) jest odwrotny od ładunku +Q.
Na Rysunek 1b, gdy ładunek testowy zostanie usunięty, w tym punkcie występuje pole (E), którego kierunek jest odwrotny od ładunku elektrycznego Q.
Na Rysunek 2a, ujemny ładunek elektryczny (-Q) wywiera siłę elektryczną na dodatni ładunek testowy (+q), przy czym kierunek siły elektrycznej (F) zbliża się do ładunku -Q.
Na Rysunek 2b, gdy ładunek testowy zostanie usunięty, w tym punkcie występuje pole (E), którego kierunek jest bliski kierunkowi ładunku elektrycznego -Q.
Na podstawie powyższego obrazu i wyjaśnienia można wywnioskować, że pole kieruje się od ładunku elektrycznego dodatniego w stronę ładunku ujemnego.

Przykłady soal

1. Punkt A znajduje się w polu elektrycznym. Natężenie pola elektrycznego w punkcie A wynosi 0,4 N/C. Jeśli w punkcie A umieścimy obiekt o ładunku 0,2 C, siła Coulomba...
A. 0,2 N
B. 0,4 N
C. 0,6 N
D.0,7 N
E. 0,8 N
Dyskusja:
Wiadomo, że :
E = 0,4 N/C
q = 0,2 C
Zapytano :
Siła elektryczna?
Odpowiedź :
F = q E = (0,2 C)(4 N/C) = 0,8 N
Prawidłowa odpowiedź to E.

2. Punkt naładowany q znajduje się w punkcie A w polu elektrycznym generowanym przez ładunek (+), tak że działa na niego siła 0,1 N w kierunku ładunku q. Jeżeli natężenie pola w punkcie A wynosi 0,02 N/C, to wielkość i rodzaj ładunku q są...
A. 5,0 C, dodatnie
B. 5,0 C, ujemne
C. 4,0 C, dodatnie
D. 2,5 C, ujemne
E. 2,5 C, dodatni
Dyskusja:
Wiadomo, że :
F = 0,1 N
E = 0,02 N/C
Zapytano :
Jaka jest wartość i kierunek ładunku q?
Odpowiedź :
Wielkość ładunku q:
F = q E
q = F / E = 0,1 N : 0,02 N/C = 5C
Rodzaj opłaty q:
Siła Coulomba działa w kierunku ładunku q, więc ładunek q musi mieć wartość dodatnią.