Elektriska fältegenskaper

Artikeln beskriver det elektriska fältets huvudsakliga egenskaper: potential, spänning och intensitet.

Vad är ett elektriskt fält

För att skapa ett elektriskt fält är det nödvändigt att skapa en elektrisk laddning. Egenskaperna för utrymmet runt laddningarna (laddade kroppar) skiljer sig från egenskaperna hos utrymmet där det inte finns några laddningar. Samtidigt förändras inte rymdens egenskaper, när en elektrisk laddning införs i den, omedelbart: förändringen börjar från laddningen och sprider sig med en viss hastighet från en punkt i rymden till en annan.

I ett utrymme som innehåller en laddning manifesteras mekaniska krafter som verkar på andra laddningar som införs i det utrymmet. Dessa krafter är inte resultatet av en laddnings direkta verkan på en annan, utan av verkan genom ett kvalitativt förändrat medium.

Utrymmet runt elektriska laddningar, där krafterna som verkar på de elektriska laddningarna som införs i den manifesteras, kallas ett elektriskt fält.

En laddning i ett elektriskt fält rör sig i riktning mot den kraft som verkar på den från sidan av fältet.Vilotillståndet för en sådan laddning är endast möjligt när någon yttre (extern) kraft appliceras på laddningen som balanserar styrkan hos det elektriska fältet.

Så fort balansen mellan den yttre kraften och fältstyrkan störs, börjar laddningen röra sig igen. Riktningen för dess rörelse sammanfaller alltid med riktningen för den större kraften.

För tydlighetens skull representeras det elektriska fältet vanligtvis av så kallade elektriska fältlinjer. Dessa linjer sammanfaller med riktningen för krafterna som verkar i det elektriska fältet. Samtidigt kom man överens om att rita så många linjer att deras antal för varje 1 cm2 av arean installerad vinkelrätt mot linjerna var proportionell mot fältets styrka vid motsvarande punkt.

Fältets riktning anses vanligtvis vara riktningen för fältstyrkan som verkar på en positiv laddning placerad i ett givet fält. Positiva laddningar stöts bort av positiva laddningar och attraheras av negativa laddningar. Därför är fältet riktat från positiva till negativa laddningar.

Kraftlinjernas riktning anges på ritningarna med pilar. Vetenskapen har bevisat att kraftlinjerna i ett elektriskt fält har en början och ett slut, det vill säga de är inte stängda av sig själva. Baserat på fältets antagna riktning finner vi att kraftlinjerna börjar med positiva laddningar (positivt laddade kroppar) och slutar med negativa.

Ris. 1. Exempel på en bild av ett elektriskt fält med kraftlinjer: a — ett elektriskt fält med en enda positiv laddning, b — ett elektriskt fält med en enda negativ laddning, c — ett elektriskt fält med två motsatta laddningar, d — en elektriskt fält av två lika laddningar

I fig.1 visar exempel på ett elektriskt fält avbildat med kraftlinjer. Man måste komma ihåg att elektriska fältlinjer endast är ett sätt att grafiskt representera ett fält. Det finns ingen större substans i kraftlinjekonceptet här.

Coulombs lag

Styrkan i interaktionen mellan två laddningar beror på laddningarnas storlek och inbördes arrangemang, såväl som på de fysiska egenskaperna hos deras miljö.

För två elektrifierade fysiska kroppar, vars dimensioner är obetydliga jämfört med avståndet mellan kropparna, bestäms läkningen av interaktionen matematiskt enligt följande:

där F är växelverkan mellan laddningar i newton (N), k — avstånd mellan laddningar i meter (m), Q1 och Q2 — storleken på elektriska laddningar i coulombs (k), k är proportionalitetskoefficienten, vars värde beror på egenskaperna hos mediet som omger laddningarna.

Ovanstående formel lyder så här: kraften av interaktion mellan två punktladdningar är direkt proportionell mot produkten av storleken på dessa laddningar och omvänt proportionell mot kvadraten på avståndet mellan dem (Coulombs lag).

För att bestämma proportionalitetsfaktorn k, använd uttrycket k = 1 /(4πεεО).

Elektriskt fältpotential

Ett elektriskt fält ger alltid en laddning rörelse om fältkrafterna som verkar på laddningen inte balanseras av några yttre krafter. Detta innebär att det elektriska fältet har potentiell energi, det vill säga förmågan att utföra arbete.

Genom att flytta en laddning från en punkt i rymden till en annan fungerar det elektriska fältet, vilket gör att tillförseln av potentiell energi till fältet minskar.Om en laddning rör sig i ett elektriskt fält under inverkan av någon yttre kraft som verkar motsatt fältkrafterna, utförs arbetet inte av de elektriska fältkrafterna, utan av yttre krafter. I det här fallet minskar fältets potentiella energi inte bara inte, utan ökar tvärtom.

Arbetet som utförs av en yttre kraft som förflyttar en laddning i ett elektriskt fält är proportionell mot storleken på de fältkrafter som motsätter sig den rörelsen. Arbetet som i detta fall utförs av yttre krafter går helt och hållet åt att öka fältets potentiella energi. För att karakterisera fältet från sidan av dess potentiella energi, kallas en storhet som kallas elektrisk fältpotential.

Kärnan i denna kvantitet är som följer. Antag att den positiva laddningen är utanför det elektriska fältet som avses. Detta innebär att fältet praktiskt taget inte har någon effekt på den givna avgiften. Låt en yttre kraft föra in denna laddning i det elektriska fältet och övervinna motståndet mot rörelse som utövas av fältkrafterna, flytta laddningen till en given punkt i fältet. Det arbete som kraften utför, och därmed den mängd som fältets potentiella energi har ökat med, beror helt på fältets egenskaper. Därför kan detta arbete karakterisera energin i ett givet elektriskt fält.

Den elektriska fältenergin relaterad till en positiv laddningsenhet placerad vid en given punkt i fältet kallas fältpotentialen vid en given punkt.

Om potentialen betecknas med bokstaven φ, laddningen med bokstaven q och det arbete som spenderas på att flytta laddningen med W, kommer fältpotentialen vid en given punkt att uttryckas med formeln φ = W / q.

Det följer att den elektriska fältpotentialen vid en given punkt är numeriskt lika med det arbete som utförs av en extern kraft när en positiv enhetsladdning rör sig ut ur fältet mot en given punkt. Fältpotentialen mäts i volt (V). Om yttre krafter under överföringen av en coulomb elektricitet utanför fältet till en given punkt har utfört arbete lika med en joule, då är potentialen vid en given punkt i fältet lika med en volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrisk fältstyrka

I alla elektriska fält rör sig positiva laddningar från punkter med högre potential till punkter med lägre potential. Tvärtom rör sig negativa laddningar från punkter med lägre potential till punkter med högre potential. I båda fallen utförs arbetet på bekostnad av det elektriska fältets potentiella energi.

Om vi ​​känner till detta arbete, det vill säga hur mycket fältets potentiella energi har minskat när den positiva laddningen q rör sig från punkt 1 i fältet till punkt 2, så är det lätt att hitta spänningen mellan dessa punkter i fältet. fält U1,2:

U1,2 = A/q,

där A är det arbete som utförs av fältkrafterna när laddningen q överförs från punkt 1 till punkt 2. Spänningen mellan två punkter i det elektriska fältet är numeriskt lika med det arbete som utförs av noll för att överföra en positiv enhetsladdning från en punkt i fält till en annan.

Som kan ses representerar spänningen mellan två punkter i fältet och potentialskillnaden mellan samma punkter samma fysiska enhet... Därför är termerna spänning och potentialskillnad desamma. Spänningen mäts i volt (V).

Spänningen mellan två punkter är lika med en volt om, när man överför en coulomb elektricitet från en punkt i fältet till en annan, fältkrafterna fungerar lika med en joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrisk fältstyrka

Det följer av Coulombs lag att den elektriska fältstyrkan för en given laddning som verkar på en annan laddning placerad i detta fält inte är densamma på alla punkter i fältet. Det elektriska fältet vid vilken punkt som helst kan karakteriseras av storleken på den kraft med vilken det verkar på en positiv enhetsladdning placerad vid en given punkt.

Genom att känna till detta värde kan kraften F som verkar på varje laddning Q bestämmas. Du kan skriva att F = Q x E, där F är kraften som verkar på laddningen Q placerad i en punkt i fältet av det elektriska fältet, E är kraften som verkar på en positiv enhetsladdning placerad på samma punkt i fältet. Storheten E numeriskt lika med kraften som upplevs av en positiv enhetsladdning vid en given punkt i fältet kallas den elektriska fältstyrkan.