Elektrisch veld kenmerken

Het artikel beschrijft de belangrijkste kenmerken van het elektrische veld: potentiaal, spanning en intensiteit.

Wat is een elektrisch veld

Om een ​​elektrisch veld te creëren, is het nodig om een ​​elektrische lading te creëren. De eigenschappen van de ruimte rond de ladingen (geladen lichamen) verschillen van de eigenschappen van de ruimte waarin zich geen ladingen bevinden. Tegelijkertijd veranderen de eigenschappen van de ruimte, wanneer er een elektrische lading in wordt geïntroduceerd, niet onmiddellijk: de verandering begint bij de lading en verspreidt zich met een bepaalde snelheid van het ene punt in de ruimte naar het andere.

In een ruimte die een lading bevat, manifesteren zich mechanische krachten die inwerken op andere ladingen die in die ruimte worden geïntroduceerd. Deze krachten zijn niet het resultaat van de directe werking van de ene lading op de andere, maar van de werking via een kwalitatief veranderd medium.

De ruimte rond elektrische ladingen, waarin de krachten die inwerken op de elektrische ladingen die erin worden geïntroduceerd zich manifesteren, wordt een elektrisch veld genoemd.

Een lading in een elektrisch veld beweegt in de richting van de kracht die erop werkt vanaf de zijkant van het veld.De rusttoestand van zo'n lading is alleen mogelijk als er een externe (externe) kracht op de lading wordt uitgeoefend die de sterkte van het elektrische veld in evenwicht houdt.

Zodra de balans tussen de externe kracht en de veldsterkte verstoord is, komt de lading weer in beweging. De richting van zijn beweging valt altijd samen met de richting van de grotere kracht.

Voor de duidelijkheid wordt het elektrische veld meestal weergegeven door zogenaamde elektrische veldlijnen. Deze lijnen vallen samen met de richting van de krachten die in het elektrische veld werken. Tegelijkertijd werd afgesproken om zoveel lijnen te trekken dat hun aantal voor elke 1 cm2 van het loodrecht op de lijnen geïnstalleerde gebied evenredig was met de sterkte van het veld op het corresponderende punt.

De richting van het veld wordt meestal beschouwd als de richting van de veldsterkte die inwerkt op een positieve lading die in een bepaald veld is geplaatst. Positieve ladingen worden afgestoten door positieve ladingen en aangetrokken door negatieve ladingen. Daarom wordt het veld van positieve naar negatieve ladingen geleid.

De richting van de krachtlijnen is in de tekeningen aangegeven met pijlen. De wetenschap heeft bewezen dat de krachtlijnen van een elektrisch veld een begin en een einde hebben, dat wil zeggen dat ze niet vanzelf gesloten zijn. Op basis van de veronderstelde richting van het veld vinden we dat de krachtlijnen beginnen met positieve ladingen (positief geladen lichamen) en eindigen met negatieve.

Rijst. 1. Voorbeelden van een afbeelding van een elektrisch veld met behulp van krachtlijnen: a — een elektrisch veld met een enkele positieve lading, b — een elektrisch veld met een enkele negatieve lading, c — een elektrisch veld van twee tegengestelde ladingen, d — een elektrisch veld van twee soortgelijke ladingen

In afb.1 toont voorbeelden van een elektrisch veld weergegeven met behulp van krachtlijnen. Er moet aan worden herinnerd dat elektrische veldlijnen slechts een manier zijn om een ​​veld grafisch weer te geven. Er is hier geen grotere inhoud aan het concept van de krachtlijn.

De wet van Coulomb

De sterkte van de interactie tussen twee ladingen hangt af van de grootte en onderlinge rangschikking van de ladingen, evenals van de fysische eigenschappen van hun omgeving.

Voor twee geëlektrificeerde fysieke lichamen, waarvan de afmetingen onbeduidend zijn in vergelijking met de afstand tussen de lichamen, wordt de genezing van de interactie wiskundig als volgt bepaald:

waarbij F de kracht is van de interactie van ladingen in newton (N), k — afstand tussen ladingen in meters (m), Q1 en Q2 — grootte van elektrische ladingen in coulombs (k), k is de evenredigheidscoëfficiënt, waarvan de waarde hangt af van de eigenschappen van het medium rond de ladingen.

De bovenstaande formule luidt als volgt: de wisselwerkingskracht tussen twee puntladingen is recht evenredig met het product van de groottes van deze ladingen en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand daartussen (wet van Coulomb).

Gebruik de uitdrukking k = 1 /(4πεεО) om de evenredigheidsfactor k te bepalen.

Elektrisch veldpotentieel

Een elektrisch veld geeft altijd beweging aan een lading als de veldkrachten die op de lading werken niet worden gecompenseerd door externe krachten. Dit impliceert dat het elektrische veld potentiële energie heeft, dat wil zeggen het vermogen om arbeid te verrichten.

Door een lading van het ene punt in de ruimte naar het andere te verplaatsen, werkt het elektrische veld wel, waardoor de toevoer van potentiële energie naar het veld afneemt.Als een lading in een elektrisch veld beweegt onder invloed van een externe kracht die tegengesteld werkt aan de veldkrachten, dan wordt er niet gewerkt door de elektrische veldkrachten, maar door externe krachten. In dit geval neemt de potentiële energie van het veld niet alleen niet af, maar neemt juist toe.

Het werk dat wordt verricht door een externe kracht die een lading in een elektrisch veld verplaatst, is evenredig met de grootte van de veldkrachten die die beweging tegenwerken. Het werk dat in dit geval door externe krachten wordt gedaan, wordt volledig besteed aan het vergroten van de potentiële energie van het veld. Om het veld te karakteriseren vanaf de kant van zijn potentiële energie, wordt een grootheid genaamd elektrisch veldpotentieel genoemd.

De essentie van deze hoeveelheid is als volgt. Stel dat de positieve lading buiten het beschouwde elektrische veld ligt. Dit betekent dat het veld praktisch geen invloed heeft op de gegeven lading. Laat een externe kracht deze lading in het elektrische veld introduceren en, overwinnend de bewegingsweerstand uitgeoefend door de veldkrachten, de lading naar een bepaald punt in het veld verplaatsen. De arbeid die door de kracht wordt verricht, en dus de hoeveelheid waarmee de potentiële energie van het veld is toegenomen, hangt volledig af van de eigenschappen van het veld. Daarom kan dit werk de energie van een bepaald elektrisch veld karakteriseren.

De elektrische veldenergie gerelateerd aan een eenheid van positieve lading die op een bepaald punt in het veld is geplaatst, wordt de veldpotentiaal op een bepaald punt genoemd.

Als de potentiaal wordt aangegeven met de letter φ, de lading met de letter q en het werk dat is besteed aan het verplaatsen van de lading met W, dan wordt de veldpotentiaal op een bepaald punt uitgedrukt door de formule φ = W / q.

Hieruit volgt dat de elektrische veldpotentiaal op een bepaald punt numeriek gelijk is aan het werk dat wordt verricht door een externe kracht wanneer een eenheid positieve lading uit het veld naar een bepaald punt beweegt. Veldpotentiaal wordt gemeten in volt (V). Als tijdens de overdracht van één coulomb elektriciteit buiten het veld naar een bepaald punt externe krachten arbeid hebben verricht gelijk aan één joule, dan is de potentiaal op een bepaald punt in het veld gelijk aan één volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrische veldsterkte

In elk elektrisch veld verplaatsen positieve ladingen zich van punten met een hoger potentieel naar punten met een lager potentieel. Integendeel, negatieve ladingen verplaatsen zich van punten met een lager potentieel naar punten met een hoger potentieel. In beide gevallen wordt er gewerkt ten koste van de potentiële energie van het elektrische veld.

Als we dit werk kennen, dat wil zeggen de hoeveelheid waarmee de potentiële energie van het veld is afgenomen wanneer de positieve lading q van punt 1 van het veld naar punt 2 gaat, dan is het gemakkelijk om de spanning tussen deze punten van het veld te vinden veld U1,2:

U1,2 = A / q,

waarbij A het werk is dat wordt verricht door de veldkrachten wanneer de lading q wordt overgedragen van punt 1 naar punt 2. De spanning tussen twee punten in het elektrische veld is numeriek gelijk aan het werk dat wordt verricht door nul om een ​​eenheid positieve lading over te dragen van één punt in het veld naar een ander.

Zoals te zien is, vertegenwoordigen de spanning tussen twee punten van het veld en het potentiaalverschil tussen dezelfde punten dezelfde fysieke eenheid... Daarom zijn de termen spanning en potentiaalverschil hetzelfde. Spanning wordt gemeten in volt (V).

De spanning tussen twee punten is gelijk aan één volt als bij het overbrengen van één coulomb elektriciteit van het ene punt van het veld naar het andere de veldkrachten gelijk aan één joule werken: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Elektrische veldsterkte

Uit de wet van Coulomb volgt dat de elektrische veldsterkte van een bepaalde lading die inwerkt op een andere lading die in dit veld is geplaatst, niet op alle punten van het veld hetzelfde is. Het elektrische veld op elk punt kan worden gekarakteriseerd door de grootte van de kracht waarmee het inwerkt op een eenheid positieve lading die op een bepaald punt is geplaatst.

Als we deze waarde kennen, kan de kracht F worden bepaald die op elke lading Q werkt.Je kunt schrijven dat F = Q x E, waarbij F de kracht is die werkt op de lading Q die door het elektrische veld op een punt in het veld is geplaatst, E is de kracht die werkt op een positieve lading per eenheid die op hetzelfde punt in het veld is geplaatst. De hoeveelheid E die numeriek gelijk is aan de kracht die wordt ervaren door een eenheid positieve lading op een bepaald punt in het veld, wordt de elektrische veldsterkte genoemd.