Az elektromos tér jellemzői
A cikk leírja az elektromos mező főbb jellemzőit: potenciál, feszültség és intenzitás.
Mi az elektromos mező
Elektromos mező létrehozásához elektromos töltést kell létrehozni. A töltések (töltött testek) körüli tér tulajdonságai eltérnek annak a térnek a tulajdonságaitól, amelyben nincsenek töltések. Ugyanakkor a tér tulajdonságai, amikor elektromos töltést vezetünk be, nem változnak azonnal: a változás a töltésből indul ki, és bizonyos sebességgel terjed a tér egyik pontjából a másikba.
A töltést tartalmazó térben az abba a térbe bevitt más töltésekre ható mechanikai erők nyilvánulnak meg. Ezek az erők nem az egyik töltés közvetlen hatásának a másikra, hanem egy minőségileg megváltozott közegen keresztüli hatásának az eredménye.
Az elektromos töltések körüli teret, amelyben a beléje juttatott elektromos töltésekre ható erők megnyilvánulnak, elektromos térnek nevezzük.
Az elektromos térben lévő töltés a tér oldaláról rá ható erő irányába mozog.Az ilyen töltés nyugalmi állapota csak akkor lehetséges, ha valamilyen külső (külső) erő hat az elektromos tér erősségét kiegyenlítő töltésre.
Amint a külső erő és a térerő egyensúlya megbomlik, a töltés újra mozogni kezd. Mozgásiránya mindig egybeesik a nagyobb erő irányával.
Az egyértelműség kedvéért az elektromos mezőt általában úgynevezett elektromos térerővonalakkal ábrázolják. Ezek az egyenesek egybeesnek az elektromos térben ható erők irányával. Ugyanakkor annyi vonalat húztak meg, hogy azok száma a vonalakra merőlegesen telepített terület minden 1 cm2-ére arányos legyen a megfelelő pontban lévő térerősséggel.
A tér irányát általában az adott térben elhelyezett pozitív töltésre ható térerősség irányának tekintjük. A pozitív töltéseket a pozitív töltések taszítják, és vonzzák a negatív töltéseket. Ezért a mező pozitív töltésről negatív töltésre irányul.
Az erővonalak irányát a rajzokon nyilak jelzik. A tudomány bebizonyította, hogy az elektromos tér erővonalainak van kezdete és vége, vagyis nem záródnak be maguktól. A tér feltételezett iránya alapján azt találjuk, hogy az erővonalak pozitív töltéssel (pozitív töltésű testekkel) kezdődnek és negatívakkal végződnek.
Rizs. 1. Példák elektromos tér erővonalakat használó képére: a – egyetlen pozitív töltésű elektromos tér, b – egyetlen negatív töltésű elektromos tér, c – két ellentétes töltésű elektromos tér, d – egy két hasonló töltés elektromos tere
ábrán.Az 1. ábra erővonalak segítségével ábrázolt elektromos mezőre mutat példákat. Emlékeztetni kell arra, hogy az elektromos térerővonalak csak a mező grafikus ábrázolásának egyik módja. Az erővonal fogalmának itt nincs nagyobb tartalma.
Coulomb törvénye
A két töltés közötti kölcsönhatás erőssége a töltések nagyságától és kölcsönös elrendeződésétől, valamint környezetük fizikai tulajdonságaitól függ.
Két villamosított fizikai test esetében, amelyek méretei a testek közötti távolsághoz képest elenyészőek, a kölcsönhatás gyógyulását matematikailag a következőképpen határozzuk meg:
ahol F a töltések kölcsönhatási ereje newtonban (N), k – a töltések közötti távolság méterben (m), Q1 és Q2 – az elektromos töltések nagysága coulombban (k), k az arányossági együttható, amelynek értéke a töltéseket körülvevő közeg tulajdonságaitól függ.
A fenti képlet így hangzik: a két ponttöltés közötti kölcsönhatás ereje egyenesen arányos e töltések nagyságának szorzatával, és fordítottan arányos a köztük lévő távolság négyzetével (Coulomb-törvény).
A k arányossági tényező meghatározásához használja a k = 1 /(4πεεО) kifejezést.
Elektromos tér potenciál
Az elektromos tér mindig mozgást ad a töltésnek, ha a töltésre ható térerőket semmilyen külső erő nem egyensúlyozza ki. Ez azt jelenti, hogy az elektromos mezőnek van potenciális energiája, azaz munkavégző képessége.
A töltést a tér egyik pontjából a másikba mozgatva az elektromos tér valóban működik, aminek következtében csökken a tér potenciális energia ellátása.Ha egy töltés az elektromos térben a térerőkkel ellentétes külső erő hatására mozog, akkor a munkát nem az elektromos térerők, hanem külső erők végzik. Ebben az esetben a mező potenciális energiája nemcsak nem csökken, hanem éppen ellenkezőleg, nő.
A töltést elektromos térben mozgó külső erő által végzett munka arányos a mozgással ellentétes térerők nagyságával. A külső erők által végzett munka ebben az esetben teljes egészében a mező potenciális energiájának növelésére fordítódik. A mező potenciális energiája felőli jellemzésére az elektromos térpotenciálnak nevezett mennyiséget nevezzük.
Ennek a mennyiségnek a lényege a következő. Tegyük fel, hogy a pozitív töltés kívül esik a vizsgált elektromos téren. Ez azt jelenti, hogy a mezőnek gyakorlatilag nincs hatása az adott töltésre. Vezesse be ezt a töltést egy külső erő az elektromos térbe, és a térerők által kifejtett mozgási ellenállást leküzdve mozgassa a töltést a mező egy adott pontjára. Az erő által végzett munka, és ezáltal a mező potenciális energiájának növekedése teljes mértékben a mező tulajdonságaitól függ. Ezért ez a munka képes jellemezni egy adott elektromos tér energiáját.
A mező adott pontjában elhelyezett pozitív töltésű egységhez kapcsolódó elektromos térenergiát egy adott pontban térpotenciálnak nevezzük.
Ha a potenciált φ betűvel, a töltést q betűvel jelöljük, és a töltés mozgatására fordított munkát W-vel, akkor a térpotenciál egy adott pontban a φ = W / q képlettel lesz kifejezve.
Ebből következik, hogy az elektromos térpotenciál egy adott pontban számszerűen egyenlő a külső erő által végzett munkával, amikor egy egységnyi pozitív töltés a mezőből egy adott pont felé mozog. A térpotenciált voltban (V) mérjük. Ha egy coulomb elektromosság átvitele során a mezőn kívülről egy adott pontra külső erők egy joule-nak megfelelő munkát végeztek, akkor a mező adott pontjában a potenciál egyenlő egy volttal: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Elektromos térerősség
Bármely elektromos térben a pozitív töltések a magasabb potenciálú pontokból az alacsonyabb potenciálú pontokba mozognak. Éppen ellenkezőleg, a negatív töltések az alacsonyabb potenciálú pontokról a magasabb potenciálú pontokra mozognak. Mindkét esetben a munka az elektromos tér potenciális energiájának rovására történik.
Ha ismerjük ezt a munkát, vagyis azt, hogy mennyivel csökkent a mező potenciális energiája, amikor a q pozitív töltés a mező 1. pontjából a 2. pontba kerül, akkor könnyen megtalálhatjuk a feszültséget a mező ezen pontjai között. mező U1,2:
U1,2 = A / q,
ahol A a térerők által végzett munka, amikor a q töltést az 1. pontból a 2. pontba viszi át. Az elektromos tér két pontja közötti feszültség számszerűen megegyezik a nullával végzett munkával az egységnyi pozitív töltés átvitele során egy pontból mezőn a másikhoz.
Amint látható, a mező két pontja közötti feszültség és az ugyanazon pontok közötti potenciálkülönbség ugyanazt a fizikai egységet jelenti... Ezért a feszültség és a potenciálkülönbség kifejezések azonosak. A feszültséget voltban (V) mérik.
A két pont közötti feszültség egyenlő egy volttal, ha egy coulomb elektromosság átvitele során a mező egyik pontjáról a másikra a térerők egy joule-nak megfelelőek: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb
Elektromos térerősség
A Coulomb-törvényből következik, hogy egy adott töltés elektromos térerőssége, amely egy másik, ebben a mezőben elhelyezett töltésre hat, nem azonos a tér minden pontján. Az elektromos mező bármely pontban jellemezhető annak az erőnek a nagyságával, amellyel egy adott pontban elhelyezett egységnyi pozitív töltésre hat.
Ennek az értéknek az ismeretében meghatározható az egyes Q töltésekre ható F erő Felírhatjuk, hogy F = Q x E, ahol F az elektromos tér által a mező egy pontjába helyezett Q töltésre ható erő, E a a mező azonos pontján elhelyezett egységnyi pozitív töltésre ható erő. Elektromos térerősségnek nevezzük azt az E mennyiséget, amely számszerűen megegyezik az egységnyi pozitív töltés által a mező adott pontjában kifejtett erővel.