Artykuł o polu elektrycznym
W temacie ładunku elektrycznego, dowiedziano się, że ładunki podobne odpychają się, podczas gdy ładunki różnoimienne przyciągają się. Jeśli dodatnio naładowany obiekt zostanie przybliżony do ujemnie naładowanego obiektu, oba obiekty przyciągają się do siebie, tak że zbliżają się do siebie. I odwrotnie, jeśli dodatnio naładowany obiekt zostanie przybliżony do dodatnio naładowanego obiektu, to dwa obiekty odpychają się, tak że oddalają się od siebie. Jak badano w temacie prawa Coulomba, naładowane elektrycznie obiekty mogą przyspieszać inne naładowane elektrycznie obiekty, ponieważ istnieje siła elektryczna działająca między tymi naładowanymi elektrycznie obiektami. Siła elektryczna wywierana przez naładowany elektrycznie obiekt na inne naładowane elektrycznie obiekty jest jednym z przykładów siły, która może działać bez kontaktu. Innym przykładem siły, która może działać na odległość, jest siła grawitacji . Siła grawitacji jest wywierana przez obiekt masowy na inne obiekty masowe.
Siła tarcia , siła ciągu i siła nacisku to przykłady sił łatwych do zrozumienia, ponieważ działają one w kontakcie. Z kolei siła elektryczna jest przykładem siły trudnej do zrozumienia, ponieważ może działać z pewnej odległości bez kontaktu. Aby zrozumieć siłę elektryczną działającą z pewnej odległości, pojawia się koncepcja pola elektrycznego. Koncepcja pola elektrycznego została opracowana przez brytyjskiego naukowca Michaela Faradaya (1791–1867).
Definicja pola elektrycznego (E)
Załóżmy, że szkło było początkowo elektrycznie obojętne. Po potarciu szmatką, szklany pręt zostaje naładowany elektrycznie. Gdy szklany pręt zostaje naładowany elektrycznie, jednocześnie wokół szkła pojawia się pole elektryczne. Gdy szkło staje się obojętne, pole elektryczne zanika. Zatem istnienia ładunku elektrycznego nie można oddzielić od obecności ładunku elektrycznego. Ładunek elektryczny nie jest rodzajem substancji, takiej jak powietrze, ani rodzajem fali, takiej jak fale elektromagnetyczne. Ładunek elektryczny jest czymś, co powstaje w wyniku działania ładunku elektrycznego i oddziałuje na przestrzeń wokół ładunku elektrycznego, podczas gdy inne ładunki elektryczne odczuwają jedynie wpływ ładunku elektrycznego.
Aby sprawdzić, czy w pomieszczeniu występuje ładunek elektryczny (E), zakłada się, że w tej przestrzeni znajduje się ładunek testowy. Ładunek testowy to ładunek minimalny (Q), co oznacza, że wytwarza on niewielkie pole elektryczne, które można zignorować. Jednak ładunek testowy może reagować na wpływ pola elektrycznego generowanego przez inne ładunki elektryczne. Ładunek testowy jest prezentowany wyłącznie w celu sprawdzenia, czy w pomieszczeniu występuje ładunek elektryczny (E). Jeśli w pomieszczeniu występuje ładunek elektryczny (E),
ładunek testowy musi zostać poddany działaniu siły elektrycznej, natomiast jeżeli nie ma E, ładunek testowy nie jest poddany działaniu siły elektrycznej.
Przyjrzyj się rysunkowi z boku.
Na rysunku 1 ładunek +q 1 i ładunek +q 2 wytwarzają pole elektryczne E w otaczającej przestrzeni. Gdy ładunek testowy +q o zostanie umieszczony w punkcie w przestrzeni, ładunek testowy +q o doświadcza siły elektrycznej. F 1 to siła elektryczna wywierana przez ładunek +q 1 na ładunek testowy +q o , a F 2 to siła elektryczna wywierana przez ładunek +q 2 na ładunek testowy +q o . Na rysunku 2, gdy ładunek testowy zostanie usunięty, pole elektryczne E pozostaje i nie znika z tego punktu. E 1 to pole elektryczne wytwarzane przez ładunek elektryczny +q 1 , a E 2 to pole elektryczne wytwarzane przez ładunek elektryczny +q 2.
Wielkość pola elektrycznego
E to wielkość wektorowa, w której pole elektryczne ma wartość i kierunek. Wartość E jest zwykle określana jako natężenie E. Natężenie E w danym punkcie definiuje się jako siłę elektryczności wywieraną przez ładunek elektryczny na dodatni ładunek próbny umieszczony w tym punkcie, podzieloną przez wielkość ładunku próbnego.
E = natężenie pola elektrycznego
F = siła elektryczna
q = ładunek testowy
Jednostką siły elektrycznej jest niuton, a jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, zatem jednostką siły elektromotorycznej jest niuton/kulomb, w skrócie N/C.
Kierunek pola elektrycznego
Na rysunku 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 rysunku 1b, po usunięciu ładunku testowego, w tym momencie występuje pole elektryczne (E), którego kierunek jest przeciwny do ładunku elektrycznego Q.
Na rysunku 2a ujemny ładunek elektryczny (-Q) wywiera siłę elektryczną na dodatni ładunek testowy (+q), gdzie kierunek siły elektrycznej (F) zbliża się do ładunku -Q.
Na rysunku 2b, po usunięciu ładunku testowego, w tym momencie występuje pole elektryczne (E), którego kierunek jest bliski kierunkowi ładunku elektrycznego -Q.
Na podstawie powyższego rysunku i wyjaśnień można wywnioskować, że kierunek pola elektrycznego jest odwrotny od ładunku elektrycznego dodatniego i zbliża się do ładunku elektrycznego ujemnego.
Linie pola elektrycznego
Siła E jest generowana przez ładunek elektryczny i oddziałuje na przestrzeń wokół ładunku, gdzie wpływ siły E jest odczuwalny tylko przez inne ładunki elektryczne. Gdy w przestrzeni E znajduje się inny ładunek elektryczny generowany przez ładunek elektryczny, inny ładunek elektryczny wyczuwa wpływ siły elektrycznej.
Zrozumienie powyższego pola elektrycznego, opisanego w artykule o polu elektrycznym E, można zrealizować umysłem, ale można je sobie jedynie wyobrazić. Aby zwizualizować pole elektryczne E, przedstawiono linie pola elektrycznego. Linie pola elektrycznego to zestaw linii narysowanych wokół ładunku elektrycznego, wskazujących na istnienie pola elektrycznego. Ponieważ ma to na celu pokazanie obecności pola elektrycznego E, istnieje połączenie między tymi liniami. Innymi słowy, wielkość i kierunek pola elektrycznego można wyjaśnić, rysując linie pola elektrycznego.
Poniżej przedstawiono zależność pomiędzy kierunkiem i natężeniem pola elektrycznego w przypadku linii pola elektrycznego:
Po pierwsze, kierunek pola elektrycznego odsuwa się od ładunku dodatniego i zbliża do ładunku ujemnego. Zatem kierunek linii pola elektrycznego również odsuwa się od ładunku dodatniego i zbliża się do ładunku ujemnego.
Jeśli ładunek dodatni sąsiaduje z ładunkiem ujemnym, linie pola elektrycznego są rysowane od ładunku dodatniego do ujemnego. I odwrotnie, jeśli ładunek dodatni sąsiaduje z ładunkiem dodatnim, linie pola elektrycznego są rysowane od każdego ładunku dodatniego i oddalają się od siebie.
Po drugie, natężenie pola elektrycznego jest reprezentowane przez odległość między liniami pola elektrycznego. Im mniejsza odległość między liniami pola elektrycznego, tym większe natężenie pola elektrycznego, a im większa odległość między liniami pola elektrycznego, tym mniejsze natężenie pola elektrycznego.
Dlaczego im mniejsza odległość między liniami, tym większe natężenie pola elektrycznego? Aby to zrozumieć, spójrz na poniższe wyjaśnienie. Załóżmy, że ładunek dodatni znajduje się w środku kuli, a linie pola elektrycznego rozchodzą się w różnych kierunkach po powierzchni kuli. Jeśli liczba linii pola elektrycznego wynosi N, a pole powierzchni kuli wynosi 4πr₂ , to liczba linii na jednostkę powierzchni lub gęstość linii wynosi N/4πr₂ . Zgodnie z tym wzorem, dla tego samego N, jeśli r maleje, odległość między liniami się zmniejsza, a jeśli r staje się większe, odległość między liniami się zwiększa.
Wzór na natężenie pola elektrycznego E = kq / r 2 pokazuje również, że natężenie pola elektrycznego jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości. Jeśli r jest mniejsze, natężenie pola elektrycznego staje się bardziej widoczne, a jeśli r jest bardziej widoczne, to natężenie pola elektrycznego maleje.
Na podstawie powyższego przeglądu można stwierdzić, że wraz ze zmniejszaniem się r (zbliżaniem się do ładunku) natężenie pola elektrycznego rośnie, a odległość między liniami również się zmniejsza. I odwrotnie, wraz ze wzrostem wartości r (im dalej od ładunku), natężenie pola elektrycznego maleje, a odległość między liniami również się zwiększa.
Po trzecie, liczba linii pola elektrycznego jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego. Im więcej linii pola elektrycznego, tym większe natężenie pola elektrycznego. Im mniej linii pola elektrycznego, tym mniejsze natężenie pola elektrycznego.
