Uwanja wa Umeme

Pia jifunze Majadiliano ya Maswali ya Uga wa Umeme kutoka Maswali ya Mfano wa Uwanja wa Umeme

Ili kurahisisha uelewa wa nguvu ya umeme inayoweza kutenda kwa mbali, dhana ya uwanja ilianzishwa. Dhana ya uwanja wa umeme ilitengenezwa na mwanasayansi wa Uingereza Michael Faraday (1791–1867).

Kuelewa

Tuseme fimbo ya kioo mwanzoni haina upendeleo wa umeme. Baada ya kusuguliwa kwa kitambaa, fimbo ya kioo huwa na chaji ya umeme. Fimbo ya kioo inapo chaji ya umeme, wakati huo huo uwanja unaonekana kuzunguka fimbo ya kioo. Ikiwa fimbo ya kioo inakuwa haina upande wowote, uwanja hutoweka kutoka angani. Kwa hivyo uwepo wa uwanja hauwezi kutenganishwa na uwepo wa chaji ya umeme. Uwanja wa umeme si aina ya dutu kama hewa au aina ya wimbi kama mawimbi ya sumakuumeme, bali ni kitu kinachozalishwa na chaji ya umeme na kuathiri nafasi inayozunguka chaji ya umeme, ambapo ushawishi wake unahisiwa tu na chaji zingine za umeme.

Ili kupima kama kuna sehemu katika nafasi, inadhaniwa kuwa kuna sehemu moja mzigo wa majaribio katika nafasi hiyo. Chaji ya jaribio ni chaji (Q) ambayo ni ndogo sana kiasi kwamba hutoa sehemu ndogo sana na kwa hivyo inaweza kupuuzwa. Hata hivyo, chaji ya jaribio inaweza kuhisi ushawishi wa sehemu inayotokana na chaji zingine za umeme. Chaji ya jaribio ipo tu ili kuchunguza kama kuna sehemu ya umeme. Ikiwa ipo, chaji ya jaribio hakika itapata ushawishi katika mfumo wa nguvu ya umeme kinyume chake, ikiwa haipo, malipo ya jaribio hayatapatikana nguvu ya umeme.

Tazama picha iliyo pembeni.
Katika mchoro 1, chaji +q₁ na chaji +q₂ hutoa uwanja wa umeme katika nafasi inayozunguka. Wakati chaji ya majaribio +q inapowekwa_o katika sehemu fulani katika nafasi, malipo ya jaribio +q_o kupitia nguvu ya umeme. F₁ ni nguvu ya umeme inayotokana na chaji +q₁ kwa ada ya majaribio +q_o na F₂ ni nguvu ya umeme inayotokana na chaji +q₂ kwa ada ya majaribio +q_oKatika mchoro wa 2, wakati chaji ya jaribio inapoondolewa, sehemu hubaki na haipotei kutoka hapo.₁ ni uwanja unaozalishwa na chaji ya umeme +q₁ na E₂ ni uwanja unaozalishwa na chaji ya umeme +q₂.

Nguvu ya uwanja

Sehemu ya umeme ni kiasi cha vekta, chenye ukubwa na mwelekeo. Nguvu ya sehemu ya umeme katika sehemu fulani hufafanuliwa kama nguvu ya umeme inayotolewa na chaji ya umeme kwenye chaji chanya ya jaribio iliyowekwa katika sehemu hiyo, ikigawanywa na ukubwa wa chaji ya jaribio.
Taarifa:
E = nguvu ya uwanja
F = nguvu ya umeme
q = ukubwa wa malipo ya jaribio
Taarifa:
Q = chaji ya umeme
r = umbali kati ya chaji ya umeme na chaji ya majaribio
(soma: epsilon sifuri) = upenyezaji wa nafasi tupu = 8,854 x 10^-12 C²/Nm²
k = Coulomb constant = 9 x 10⁹ Nm²/C²

Kitengo cha nguvu ya umeme ni Newton na kitengo cha chaji ya umeme ni Coulomb kwa hivyo kitengo cha uga ni Newton/Coulomb, kifupi N/C.

Ara

 
Tazama picha upande
Washa Mchoro 1a, chaji chanya ya umeme (+Q) hutoa nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ya jaribio (+q), ambapo mwelekeo wa nguvu ya umeme (F) uko mbali na chaji ya +Q.
Washa Mchoro 1b, wakati chaji ya majaribio inapoondolewa, katika sehemu hiyo kuna sehemu (E) ambayo mwelekeo wake uko mbali na chaji ya umeme Q.
Washa Mchoro 2a, chaji hasi ya umeme (-Q) hutoa nguvu ya umeme kwenye chaji chanya ya jaribio (+q), ambapo mwelekeo wa nguvu ya umeme (F) unakaribia chaji ya -Q.
Washa Mchoro 2b, wakati chaji ya majaribio inapoondolewa, katika sehemu hiyo kuna sehemu (E) ambayo mwelekeo wake uko karibu na chaji ya umeme -Q.
Kulingana na picha na maelezo hapo juu, inaweza kuhitimishwa kwamba mwelekeo wa uwanja uko mbali na chaji chanya ya umeme na kuelekea chaji hasi ya umeme.

Mfano wa matatizo

1. Pointi A iko katika uwanja wa umeme. Nguvu ya uwanja wa umeme katika sehemu A ni 0,4 N/C. Ikiwa kitu chenye chaji ya 0,2 C kimewekwa katika sehemu A, nguvu ya Coulomb ya...
A. 0,2 N
B. 0,4 N
C. 0,6 N
D. 0,7 N
E. 0,8 N
Majadiliano:
Inajulikana :
E = 0,4 N/C
q = 0,2 C
Aliuliza :
Nguvu ya umeme?
Jawab :
F = q E = (0,2 C)(4 N/C) = 0,8 N
Jibu sahihi ni E.

2. Sehemu ya kuchajiwa q iko katika sehemu A katika uwanja wa umeme unaozalishwa na chaji (+) ili ipate nguvu ya 0,1 N katika mwelekeo kuelekea chaji q. Ikiwa nguvu ya uwanja katika sehemu A ni 0,02 N/C, basi ukubwa na aina ya chaji q ni...
A. 5,0 C, chanya
B. 5,0 C, hasi
C. 4,0 C, chanya
D. 2,5 C, hasi
E. 2,5 C, chanya
Majadiliano:
Inajulikana :
F = 0,1N
E = 0,02 N/C
Aliuliza :
Ukubwa na mwelekeo wa chaji q ni upi?
Jawab :
Ukubwa wa chaji q:
F = q E
q = F / E = 0,1 N : 0,02 N/C = 5C
Aina ya malipo q:
Mwelekeo wa nguvu ya Coulomb unaelekea kwenye chaji q kwa hivyo chaji q lazima iwe na thamani chanya.