Elektriske feltkarakteristika

Artiklen beskriver de vigtigste egenskaber ved det elektriske felt: potentiale, spænding og intensitet.

Hvad er et elektrisk felt

For at skabe et elektrisk felt er det nødvendigt at skabe en elektrisk ladning. Egenskaberne for rummet omkring ladningerne (ladede legemer) adskiller sig fra egenskaberne i rummet, hvor der ikke er ladninger. Samtidig ændres rummets egenskaber, når en elektrisk ladning indføres i det, ikke øjeblikkeligt: ​​ændringen starter fra ladningen og spreder sig med en vis hastighed fra et punkt i rummet til et andet.

I et rum, der indeholder en ladning, manifesteres mekaniske kræfter, der virker på andre ladninger, der indføres i dette rum. Disse kræfter er ikke resultatet af en ladnings direkte virkning på en anden, men af ​​handlingen gennem et kvalitativt ændret medium.

Rummet omkring elektriske ladninger, hvor de kræfter, der virker på de elektriske ladninger, der indføres i det, manifesteres, kaldes et elektrisk felt.

En ladning i et elektrisk felt bevæger sig i retning af den kraft, der virker på den fra siden af ​​feltet.Hviletilstanden for en sådan ladning er kun mulig, når en ekstern (ydre) kraft påføres ladningen, der afbalancerer styrken af ​​det elektriske felt.

Så snart balancen mellem den ydre kraft og feltstyrken er forstyrret, begynder ladningen at bevæge sig igen. Retningen af ​​dens bevægelse falder altid sammen med retningen af ​​den større kraft.

For klarhedens skyld er det elektriske felt normalt repræsenteret af såkaldte elektriske feltlinjer. Disse linjer falder sammen med retningen af ​​de kræfter, der virker i det elektriske felt. Samtidig blev det aftalt at tegne så mange linjer, at deres antal for hver 1 cm2 af arealet installeret vinkelret på linjerne var proportionalt med feltets styrke på det tilsvarende punkt.

Feltretningen tages normalt for at være retningen af ​​feltstyrken, der virker på en positiv ladning placeret i et givet felt. Positive ladninger frastødes af positive ladninger og tiltrækkes af negative ladninger. Derfor er feltet rettet fra positive til negative ladninger.

Retningen af ​​kraftlinjerne er angivet på tegningerne med pile. Videnskaben har bevist, at kraftlinjerne i et elektrisk felt har en begyndelse og en slutning, det vil sige, at de ikke er lukkede af sig selv. Ud fra den antagne retning af feltet finder vi, at kraftlinjerne starter med positive ladninger (positivt ladede legemer) og slutter med negative.

Ris. 1. Eksempler på et billede af et elektrisk felt ved hjælp af kraftlinjer: a — et elektrisk felt med en enkelt positiv ladning, b — et elektrisk felt med en enkelt negativ ladning, c — et elektrisk felt med to modsatte ladninger, d — en elektrisk felt af to ens ladninger

I fig.1 viser eksempler på et elektrisk felt afbildet ved brug af kraftlinjer. Det skal huskes, at elektriske feltlinjer kun er en måde at repræsentere et felt grafisk på. Der er ingen større substans i kraftlinjekonceptet her.

Coulombs lov

Styrken af ​​vekselvirkningen mellem to ladninger afhænger af ladningernes størrelse og indbyrdes arrangement såvel som af deres miljøs fysiske egenskaber.

For to elektrificerede fysiske legemer, hvis dimensioner er ubetydelige sammenlignet med afstanden mellem kroppene, bestemmes helingen af ​​interaktionen matematisk som følger:

hvor F er kraften af ​​vekselvirkning af ladninger i newton (N), k — afstand mellem ladninger i meter (m), Q1 og Q2 — størrelsen af ​​elektriske ladninger i coulomb (k), k er proportionalitetskoefficienten, hvis værdi afhænger af egenskaberne af mediet, der omgiver ladningerne.

Ovenstående formel lyder således: kraften af ​​vekselvirkning mellem to punktladninger er direkte proportional med produktet af størrelsen af ​​disse ladninger og omvendt proportional med kvadratet af afstanden mellem dem (Coulombs lov).

For at bestemme proportionalitetsfaktoren k, brug udtrykket k = 1 /(4πεεО).

Elektrisk feltpotentiale

Et elektrisk felt giver altid bevægelse til en ladning, hvis feltkræfterne, der virker på ladningen, ikke balanceres af nogen eksterne kræfter. Dette indebærer, at det elektriske felt har potentiel energi, det vil sige evnen til at udføre arbejde.

Ved at flytte en ladning fra et punkt i rummet til et andet, virker det elektriske felt, hvorved tilførslen af ​​potentiel energi til feltet falder.Hvis en ladning bevæger sig i et elektrisk felt under påvirkning af en ydre kraft, der virker modsat feltkræfterne, så udføres arbejdet ikke af de elektriske feltkræfter, men af ​​eksterne kræfter. I dette tilfælde falder feltets potentielle energi ikke kun ikke, men øges tværtimod.

Arbejdet udført af en ekstern kraft, der flytter en ladning i et elektrisk felt, er proportional med størrelsen af ​​feltkræfterne, der modsætter sig denne bevægelse. Arbejdet udført i dette tilfælde af eksterne kræfter er udelukkende brugt på at øge den potentielle energi i feltet. For at karakterisere feltet fra siden af ​​dets potentielle energi, kaldes en størrelse kaldet elektrisk feltpotentiale.

Essensen af ​​denne mængde er som følger. Antag, at den positive ladning er uden for det pågældende elektriske felt. Det betyder, at feltet praktisk talt ikke har nogen effekt på den givne afgift. Lad en ekstern kraft introducere denne ladning i det elektriske felt og overvinde modstanden mod bevægelse, der udøves af feltkræfterne, flytte ladningen til et givet punkt i feltet. Det arbejde, som kraften udfører, og dermed den mængde, som feltets potentielle energi er steget med, afhænger helt af feltets egenskaber. Derfor kan dette arbejde karakterisere energien af ​​et givet elektrisk felt.

Den elektriske feltenergi relateret til en enhed af positiv ladning placeret på et givet punkt i feltet kaldes feltpotentialet i et givet punkt.

Hvis potentialet er angivet med bogstavet φ, ladningen med bogstavet q og det arbejde, der er brugt på at flytte ladningen med W, så vil feltpotentialet i et givet punkt blive udtrykt med formlen φ = W / q.

Det følger heraf, at det elektriske feltpotentiale i et givet punkt er numerisk lig med det arbejde, der udføres af en ekstern kraft, når en enheds positiv ladning bevæger sig ud af feltet mod et givet punkt. Feltpotentialet måles i volt (V). Hvis ydre kræfter under overførslen af ​​en coulomb elektricitet uden for feltet til et givet punkt har udført arbejde svarende til én joule, så er potentialet i et givet punkt i feltet lig med én volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrisk feltstyrke

I ethvert elektrisk felt bevæger positive ladninger sig fra punkter med højere potentiale til punkter med lavere potentiale. Tværtimod bevæger negative ladninger sig fra punkter med lavere potentiale til punkter med højere potentiale. I begge tilfælde udføres arbejdet på bekostning af det elektriske felts potentielle energi.

Hvis vi kender dette arbejde, det vil sige den mængde, hvormed feltets potentielle energi er faldet, når den positive ladning q bevæger sig fra punkt 1 i feltet til punkt 2, så er det let at finde spændingen mellem disse punkter i feltet. felt U1,2:

U1,2 = A/q,

hvor A er det arbejde, feltkræfterne udfører, når ladningen q overføres fra punkt 1 til punkt 2. Spændingen mellem to punkter i det elektriske felt er numerisk lig med det arbejde, nul udføres for at overføre en enheds positiv ladning fra et punkt i marken til en anden.

Som det kan ses, repræsenterer spændingen mellem to punkter i feltet og potentialforskellen mellem de samme punkter den samme fysiske enhed... Derfor er begreberne spænding og potentialforskel de samme. Spænding måles i volt (V).

Spændingen mellem to punkter er lig med én volt, hvis feltkræfterne, når man overfører en coulomb elektricitet fra et punkt i feltet til et andet, virker lig med én joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrisk feltstyrke

Det følger af Coulombs lov, at den elektriske feltstyrke af en given ladning, der virker på en anden ladning placeret i dette felt, ikke er den samme på alle punkter i feltet. Det elektriske felt på ethvert punkt kan karakteriseres ved størrelsen af ​​den kraft, hvormed det virker på en enheds positiv ladning placeret i et givet punkt.

Ved at kende denne værdi kan kraften F, der virker på hver ladning Q, bestemmes. Du kan skrive, at F = Q x E, hvor F er kraften, der virker på ladningen Q placeret i et punkt i feltet af det elektriske felt, E er kraften, der virker på en enheds positiv ladning placeret på samme punkt i feltet. Størrelsen E numerisk lig med den kraft, som en positiv ladning udsættes for i et givet punkt i feltet, kaldes den elektriske feltstyrke.