Charakteristiky elektrického pole

Článek popisuje hlavní charakteristiky elektrického pole: potenciál, napětí a intenzitu.

Co je elektrické pole

Pro vytvoření elektrického pole je nutné vytvořit elektrický náboj. Vlastnosti prostoru kolem nábojů (nabitých těles) se liší od vlastností prostoru, ve kterém náboje nejsou. Vlastnosti prostoru, když je do něj zaveden elektrický náboj, se přitom nemění okamžitě: změna začíná nábojem a šíří se určitou rychlostí z jednoho bodu prostoru do druhého.

V prostoru obsahujícím náboj se projevují mechanické síly působící na jiné náboje vnesené do tohoto prostoru. Tyto síly nejsou výsledkem přímého působení jednoho náboje na druhý, ale působením prostřednictvím kvalitativně změněného média.

Prostor kolem elektrických nábojů, ve kterém se projevují síly, které působí na elektrické náboje do něj vnesené, se nazývá elektrické pole.

Náboj v elektrickém poli se pohybuje ve směru síly, která na něj působí ze strany pole.Stav klidu takového náboje je možný pouze tehdy, když na náboj působí nějaká vnější (vnější) síla, která vyrovnává sílu elektrického pole.

Jakmile se naruší rovnováha mezi vnější silou a intenzitou pole, náboj se dá znovu do pohybu. Směr jeho pohybu se vždy shoduje se směrem větší síly.

Pro názornost je elektrické pole obvykle reprezentováno tzv. elektrickými siločárami. Tyto čáry se shodují se směrem sil působících v elektrickém poli. Zároveň bylo dohodnuto nakreslit tolik čar, aby jejich počet na každý 1 cm2 plochy instalované kolmo k čarám byl úměrný síle pole v odpovídajícím bodě.

Za směr pole se obvykle považuje směr síly pole působící na kladný náboj umístěný v daném poli. Kladné náboje jsou odpuzovány kladnými náboji a přitahovány zápornými náboji. Proto je pole směrováno od kladných k záporným nábojům.

Směr siločar je na výkresech označen šipkami. Věda prokázala, že siločáry elektrického pole mají začátek a konec, to znamená, že nejsou samy o sobě uzavřené. Na základě předpokládaného směru pole zjistíme, že siločáry začínají kladnými náboji (kladně nabitá tělesa) a končí zápornými.

Rýže. 1. Příklady zobrazení elektrického pole pomocí siločar: a — elektrické pole s jedním kladným nábojem, b — elektrické pole s jedním záporným nábojem, c — elektrické pole dvou opačných nábojů, d — an elektrické pole dvou podobných nábojů

Na Obr.1 ukazuje příklady elektrického pole znázorněného pomocí siločar. Je třeba mít na paměti, že elektrické siločáry jsou pouze způsobem grafického znázornění pole. Koncept siločáry zde nemá větší podstatu.

Coulombův zákon

Síla interakce mezi dvěma náboji závisí na velikosti a vzájemném uspořádání nábojů a také na fyzikálních vlastnostech jejich prostředí.

U dvou elektrifikovaných fyzických těl, jejichž rozměry jsou nevýznamné ve srovnání se vzdáleností mezi těly, je léčení interakce stanoveno matematicky takto:

kde F je síla interakce nábojů v newtonech (N), k — vzdálenost mezi náboji v metrech (m), Q1 a Q2 — velikost elektrických nábojů v coulombech (k), k je koeficient úměrnosti, jehož hodnota závisí na vlastnostech prostředí obklopujícího náboje.

Výše uvedený vzorec zní takto: síla interakce mezi dvěma bodovými náboji je přímo úměrná součinu velikostí těchto nábojů a nepřímo úměrná druhé mocnině vzdálenosti mezi nimi (Coulombův zákon).

Pro určení faktoru úměrnosti k použijte výraz k = 1 /(4πεεО).

Potenciál elektrického pole

Elektrické pole uděluje náboji pohyb vždy, pokud síly pole působící na náboj nejsou vyváženy žádnými vnějšími silami. To znamená, že elektrické pole má potenciální energii, tedy schopnost konat práci.

Přesunutím náboje z jednoho bodu v prostoru do druhého elektrické pole skutečně funguje, v důsledku čehož se snižuje dodávka potenciální energie do pole.Pohybuje-li se náboj v elektrickém poli působením nějaké vnější síly působící protikladně k silám pole, pak práci nevykonávají síly elektrického pole, ale vnější síly. Potenciální energie pole v tomto případě nejen neklesá, ale naopak roste.

Práce vykonaná vnější silou pohybující náboj v elektrickém poli je úměrná velikosti sil pole působících proti tomuto pohybu. Práce vykonaná v tomto případě vnějšími silami je zcela vynaložena na zvýšení potenciální energie pole. Pro charakterizaci pole ze strany jeho potenciální energie se nazývá veličina nazývaná potenciál elektrického pole.

Podstata této veličiny je následující. Předpokládejme, že kladný náboj je mimo uvažované elektrické pole. To znamená, že pole nemá na daný náboj prakticky žádný vliv. Nechť vnější síla zavede tento náboj do elektrického pole a překoná pohybový odpor vyvíjený silami pole a přemístí náboj do daného bodu v poli. Práce, kterou síla vykoná, a tedy i množství, o které se potenciální energie pole zvýšila, zcela závisí na vlastnostech pole. Proto tato práce může charakterizovat energii daného elektrického pole.

Energie elektrického pole vztažená k jednotce kladného náboje umístěného v daném bodě pole se nazývá potenciál pole v daném bodě.

Pokud je potenciál označen písmenem φ, náboj písmenem q a práce vynaložená na posunutí náboje o W, pak potenciál pole v daném bodě vyjádříme vzorcem φ = W / q.

Z toho vyplývá, že potenciál elektrického pole v daném bodě je číselně roven práci vykonané vnější silou, když se jednotkový kladný náboj pohybuje z pole směrem k danému bodu. Potenciál pole se měří ve voltech (V). Jestliže při přenosu jednoho coulombu elektřiny mimo pole do daného bodu vykonaly vnější síly práci rovnou jednomu joulu, pak se potenciál v daném bodě pole rovná jednomu voltu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Síla elektrického pole

V jakémkoli elektrickém poli se kladné náboje pohybují z bodů s vyšším potenciálem do bodů s nižším potenciálem. Naopak záporné náboje se pohybují z bodů s nižším potenciálem do bodů s vyšším potenciálem. V obou případech se pracuje na úkor potenciální energie elektrického pole.

Známe-li tuto práci, tedy množství, o které se potenciální energie pole snížila, když se kladný náboj q přesune z bodu 1 pole do bodu 2, pak je snadné najít napětí mezi těmito body pole. pole U1,2:

U1,2 = A / q,

kde A je práce vykonaná silami pole při přenosu náboje q z bodu 1 do bodu 2. Napětí mezi dvěma body v elektrickém poli se numericky rovná práci vykonané nulou pro přenos jednotkového kladného náboje z jednoho bodu v terénu k jinému.

Jak je vidět, napětí mezi dvěma body pole a rozdíl potenciálů mezi stejnými body představují stejnou fyzikální jednotku... Pojmy napětí a rozdíl potenciálů jsou tedy stejné. Napětí se měří ve voltech (V).

Napětí mezi dvěma body se rovná jednomu voltu, pokud při přenosu jednoho coulombu elektřiny z jednoho bodu pole do druhého působí síly pole rovnající se jednomu joulu: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Síla elektrického pole

Z Coulombova zákona vyplývá, že intenzita elektrického pole daného náboje působícího na jiný náboj umístěný v tomto poli není ve všech bodech pole stejná. Elektrické pole v libovolném bodě lze charakterizovat velikostí síly, kterou působí na jednotkový kladný náboj umístěný v daném bodě.

Při znalosti této hodnoty lze určit sílu F působící na každý náboj Q. Můžete napsat, že F = Q x E, kde F je síla působící na náboj Q umístěný v bodě pole elektrickým polem, E je síla působící na jednotkový kladný náboj umístěný ve stejném bodě pole. Množství E, které se číselně rovná síle, kterou působí jednotkový kladný náboj v daném bodě pole, se nazývá intenzita elektrického pole.