Elektriskā lauka raksturlielumi

Rakstā ir aprakstīti galvenie elektriskā lauka raksturlielumi: potenciāls, spriegums un intensitāte.

Kas ir elektriskais lauks

Lai izveidotu elektrisko lauku, ir nepieciešams izveidot elektrisko lādiņu. Telpas īpašības ap lādiņiem (lādētiem ķermeņiem) atšķiras no tās telpas īpašībām, kurā nav lādiņu. Tajā pašā laikā telpas īpašības, kad tajā tiek ievadīts elektriskais lādiņš, nemainās momentāni: izmaiņas sākas no lādiņa un ar noteiktu ātrumu izplatās no viena telpas punkta uz otru.

Telpā, kurā ir lādiņš, izpaužas mehāniskie spēki, kas iedarbojas uz citiem šajā telpā ievadītajiem lādiņiem. Šie spēki nav viena lādiņa tiešas iedarbības uz otru rezultāts, bet gan darbības rezultātā caur kvalitatīvi mainītu vidi.

Telpu ap elektriskajiem lādiņiem, kurā izpaužas spēki, kas iedarbojas uz tajā ievadītajiem elektriskajiem lādiņiem, sauc par elektrisko lauku.

Elektriskā laukā lādiņš kustas spēka virzienā, kas uz to iedarbojas no lauka malas.Šāda lādiņa miera stāvoklis ir iespējams tikai tad, ja lādiņam tiek pielikts kāds ārējs (ārējs) spēks, kas līdzsvaro elektriskā lauka stiprumu.

Tiklīdz tiek izjaukts līdzsvars starp ārējo spēku un lauka intensitāti, lādiņš atkal sāk kustēties. Tās kustības virziens vienmēr sakrīt ar lielākā spēka virzienu.

Skaidrības labad elektrisko lauku parasti attēlo tā sauktās elektriskā lauka līnijas. Šīs līnijas sakrīt ar elektriskajā laukā iedarbojošo spēku virzienu. Tajā pašā laikā tika panākta vienošanās novilkt tik daudz līniju, ka to skaits uz katriem 1 cm2 no laukuma, kas uzstādīts perpendikulāri līnijām, bija proporcionāls lauka stiprumam attiecīgajā punktā.

Lauka virzienu parasti uzskata par lauka intensitātes virzienu, kas iedarbojas uz pozitīvo lādiņu, kas novietots noteiktā laukā. Pozitīvos lādiņus atgrūž pozitīvi lādiņi un piesaista negatīvie lādiņi. Tāpēc lauks ir vērsts no pozitīvajiem uz negatīvajiem lādiņiem.

Spēka līniju virziens zīmējumos norādīts ar bultiņām. Zinātne ir pierādījusi, ka elektriskā lauka spēka līnijām ir sākums un beigas, tas ir, tās nav aizvērtas pašas par sevi. Pamatojoties uz pieņemto lauka virzienu, mēs atklājam, ka spēka līnijas sākas ar pozitīviem lādiņiem (pozitīvi lādētiem ķermeņiem) un beidzas ar negatīviem.

Rīsi. 1. Elektriskā lauka attēla piemēri, izmantojot spēka līnijas: a — elektriskais lauks ar vienu pozitīvu lādiņu, b — elektriskais lauks ar vienu negatīvu lādiņu, c — divu pretēju lādiņu elektriskais lauks, d — an divu līdzīgu lādiņu elektriskais lauks

attēlā.1 parādīti elektriskā lauka piemēri, kas attēloti, izmantojot spēka līnijas. Jāatceras, ka elektriskā lauka līnijas ir tikai veids, kā grafiski attēlot lauku. Spēka līnijas jēdzienam šeit nav lielākas būtības.

Kulona likums

Divu lādiņu mijiedarbības stiprums ir atkarīgs no lādiņu lieluma un savstarpējā izvietojuma, kā arī no to vides fizikālajām īpašībām.

Diviem elektrificētiem fiziskiem ķermeņiem, kuru izmēri ir nenozīmīgi, salīdzinot ar attālumu starp ķermeņiem, mijiedarbības dziedināšanu matemātiski nosaka šādi:

kur F ir lādiņu mijiedarbības spēks ņūtonos (N), k — attālums starp lādiņiem metros (m), Q1 un Q2 — elektrisko lādiņu lielums kulonos (k), k ir proporcionalitātes koeficients, kura vērtība atkarīgs no lādiņu apkārtējās vides īpašībām.

Iepriekš minētā formula skan šādi: mijiedarbības spēks starp diviem punktveida lādiņiem ir tieši proporcionāls šo lādiņu lieluma reizinājumam un apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp tiem (Kulona likums).

Lai noteiktu proporcionalitātes koeficientu k, izmanto izteiksmi k = 1 /(4πεεО).

Elektriskā lauka potenciāls

Elektriskais lauks vienmēr nodrošina lādiņa kustību, ja lauka spēkus, kas iedarbojas uz lādiņu, nelīdzsvaro nekādi ārējie spēki. Tas nozīmē, ka elektriskajam laukam ir potenciālā enerģija, tas ir, spēja veikt darbu.

Pārvietojot lādiņu no viena telpas punkta uz otru, elektriskais lauks patiešām darbojas, kā rezultātā samazinās potenciālās enerģijas padeve laukam.Ja lādiņš pārvietojas elektriskajā laukā kāda ārēja spēka iedarbībā, kas darbojas pretēji lauka spēkiem, tad darbu veic nevis elektriskā lauka spēki, bet gan ārējie spēki. Šajā gadījumā lauka potenciālā enerģija ne tikai nesamazinās, bet, gluži pretēji, palielinās.

Darbs, ko veic ārējs spēks, kas pārvieto lādiņu elektriskajā laukā, ir proporcionāls lauka spēku lielumam, kas iebilst pret šo kustību. Darbs, ko šajā gadījumā veic ārējie spēki, pilnībā tiek tērēts lauka potenciālās enerģijas palielināšanai. Lai raksturotu lauku no tā potenciālās enerģijas puses, sauc par lielumu, ko sauc par elektriskā lauka potenciālu.

Šī daudzuma būtība ir šāda. Pieņemsim, ka pozitīvais lādiņš atrodas ārpus aplūkojamā elektriskā lauka. Tas nozīmē, ka laukam praktiski nav ietekmes uz doto lādiņu. Ļaujiet ārējam spēkam ievadīt šo lādiņu elektriskajā laukā un, pārvarot lauka spēku radīto kustības pretestību, pārvietojiet lādiņu uz noteiktu lauka punktu. Spēka veiktais darbs un līdz ar to daudzums, par kādu ir palielinājusies lauka potenciālā enerģija, ir pilnībā atkarīgs no lauka īpašībām. Tāpēc šis darbs var raksturot noteiktā elektriskā lauka enerģiju.

Elektriskā lauka enerģiju, kas saistīta ar pozitīvā lādiņa vienību, kas atrodas noteiktā lauka punktā, sauc par lauka potenciālu noteiktā punktā.

Ja potenciālu apzīmē ar burtu φ, lādiņu ar burtu q un darbu, kas pavadīts lādiņa pārvietošanai par W, tad lauka potenciāls dotajā punktā tiks izteikts ar formulu φ = W / q.

No tā izriet, ka elektriskā lauka potenciāls noteiktā punktā ir skaitliski vienāds ar darbu, ko veic ārējs spēks, kad vienības pozitīvais lādiņš pārvietojas no lauka uz noteiktu punktu. Lauka potenciālu mēra voltos (V). Ja viena kulona elektroenerģijas pārnešanas laikā ārpus lauka uz noteiktu punktu ārējie spēki ir veikuši darbu, kas vienāds ar vienu džoulu, tad potenciāls noteiktā lauka punktā ir vienāds ar vienu voltu: 1 volts = 1 džouls / 1 kulons

Elektriskā lauka stiprums

Jebkurā elektriskajā laukā pozitīvie lādiņi pārvietojas no augstāka potenciāla punktiem uz zemāka potenciāla punktiem. Gluži pretēji, negatīvie lādiņi pārvietojas no zemāka potenciāla punktiem uz augstāka potenciāla punktiem. Abos gadījumos darbs tiek veikts uz elektriskā lauka potenciālās enerģijas rēķina.

Ja mēs zinām šo darbu, tas ir, daudzumu, par kādu lauka potenciālā enerģija ir samazinājusies, pozitīvajam lādiņam q pārvietojoties no lauka punkta 1 uz punktu 2, tad ir viegli atrast spriegumu starp šiem lauka punktiem. lauks U1,2:

U1,2 = A/q,

kur A ir darbs, ko veic lauka spēki, kad lādiņš q tiek pārnests no punkta 1 uz punktu 2. Spriegums starp diviem elektriskā lauka punktiem ir skaitliski vienāds ar darbu, ko veic nulle, lai pārnestu vienības pozitīvo lādiņu no viena punkta laukā citam.

Kā redzams, spriegums starp diviem lauka punktiem un potenciālu starpība starp tiem pašiem punktiem apzīmē vienu un to pašu fizisko vienību... Tāpēc termini spriegums un potenciāla starpība ir vienādi. Spriegumu mēra voltos (V).

Spriegums starp diviem punktiem ir vienāds ar vienu voltu, ja, pārnesot vienu kulonu elektrības no viena lauka punkta uz citu, lauka spēki darbojas vienādi ar vienu džoulu: 1 volts = 1 džouls / 1 kulons

Elektriskā lauka stiprums

No Kulona likuma izriet, ka noteiktā lādiņa elektriskā lauka stiprums, kas iedarbojas uz citu šajā laukā novietotu lādiņu, nav vienāds visos lauka punktos. Elektrisko lauku jebkurā punktā var raksturot ar spēka lielumu, ar kādu tas iedarbojas uz vienību pozitīvo lādiņu, kas novietots noteiktā punktā.

Zinot šo vērtību, var noteikt spēku F, kas iedarbojas uz katru lādiņu Q. Var uzrakstīt, ka F = Q x E, kur F ir spēks, kas iedarbojas uz lādiņu Q, kas atrodas lauka punktā ar elektriskā lauka palīdzību, E ir spēks, kas iedarbojas uz vienības pozitīvo lādiņu, kas atrodas tajā pašā lauka punktā. Lielumu E, kas skaitliski vienāds ar spēku, ko piedzīvo pozitīvā lādiņa vienība noteiktā lauka punktā, sauc par elektriskā lauka intensitāti.