Elektrik alan özellikleri

Makale, elektrik alanının ana özelliklerini açıklamaktadır: potansiyel, voltaj ve yoğunluk.

elektrik alan nedir

Bir elektrik alanı oluşturmak için bir elektrik yükü oluşturmak gerekir. Yüklerin (yüklü cisimler) etrafındaki boşluğun özellikleri, içinde yük olmayan boşluğun özelliklerinden farklıdır. Aynı zamanda, içine bir elektrik yükü verildiğinde uzayın özellikleri anında değişmez: değişim yükten başlar ve uzayda bir noktadan diğerine belirli bir hızla yayılır.

Yük içeren bir boşlukta, o boşluğa giren diğer yüklere etki eden mekanik kuvvetler kendini gösterir. Bu kuvvetler, bir yükün diğerine doğrudan etkisinin sonucu değil, niteliksel olarak değiştirilmiş bir ortam aracılığıyla gerçekleşen eylemin sonucudur.

İçine sokulan elektrik yüklerine etki eden kuvvetlerin ortaya çıktığı elektrik yüklerinin etrafındaki boşluğa elektrik alanı denir.

Bir elektrik alanındaki bir yük, alanın yanından kendisine etki eden kuvvet yönünde hareket eder.Böyle bir yükün dinlenme durumu, yalnızca elektrik alanın gücünü dengeleyen yüke bir miktar dış (dış) kuvvet uygulandığında mümkündür.

Dış kuvvet ile alan kuvveti arasındaki denge bozulduğu anda, yük tekrar hareket etmeye başlar. Hareketinin yönü her zaman daha büyük kuvvetin yönü ile çakışır.

Netlik için, elektrik alan genellikle sözde elektrik alan çizgileri ile temsil edilir. Bu çizgiler, elektrik alana etki eden kuvvetlerin yönü ile çakışmaktadır. Aynı zamanda, o kadar çok çizgi çizilmesi kararlaştırıldı ki, çizgilere dik olarak döşenen alanın her 1 cm2'si için sayıları, karşılık gelen noktadaki alanın gücüyle orantılıydı.

Alanın yönü, genellikle belirli bir alana yerleştirilen pozitif bir yüke etki eden alan şiddetinin yönü olarak alınır. Pozitif yükler, pozitif yükler tarafından itilir ve negatif yükler tarafından çekilir. Bu nedenle, alan pozitif yüklerden negatif yüklere yönlendirilir.

Kuvvet çizgilerinin yönü çizimlerde oklarla gösterilmiştir. Bilim, bir elektrik alanın kuvvet çizgilerinin bir başlangıcı ve bir sonu olduğunu, yani kendi kendilerine kapanmadıklarını kanıtladı. Alanın varsayılan yönüne dayanarak, kuvvet çizgilerinin pozitif yüklerle (pozitif yüklü cisimler) başladığını ve negatif olanlarla bittiğini bulduk.

Pirinç. 1. Kuvvet çizgileri kullanılarak elektrik alan görüntüsü örnekleri: a — tek pozitif yüklü elektrik alanı, b — tek negatif yüklü elektrik alanı, c — iki zıt yüklü elektrik alanı, d — an iki benzer yükün elektrik alanı

İncirde.Şekil 1, kuvvet çizgileri kullanılarak tasvir edilen bir elektrik alanı örneklerini göstermektedir. Elektrik alan çizgilerinin yalnızca bir alanı grafiksel olarak temsil etmenin bir yolu olduğu unutulmamalıdır. Buradaki kuvvet çizgisi kavramının daha büyük bir özü yoktur.

Coulomb yasası

İki yük arasındaki etkileşimin gücü, yüklerin boyutuna ve karşılıklı düzenine olduğu kadar çevrelerinin fiziksel özelliklerine de bağlıdır.

Bedenler arasındaki mesafeye kıyasla boyutları önemsiz olan iki elektrikli fiziksel beden için, etkileşimin iyileşmesi matematiksel olarak şu şekilde belirlenir:

burada F, newton (N) cinsinden yüklerin etkileşim kuvvetidir, k - metre (m) cinsinden yükler arasındaki mesafe, Q1 ve Q2 - coulomb (k) cinsinden elektrik yüklerinin büyüklüğü, k, değeri olan orantı katsayısıdır yükleri çevreleyen ortamın özelliklerine bağlıdır.

Yukarıdaki formül şu şekildedir: iki nokta yükü arasındaki etkileşim kuvveti, bu yüklerin büyüklüklerinin çarpımı ile doğru orantılıdır ve aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır (Coulomb yasası).

Orantılılık faktörü k'yi belirlemek için k = 1 /(4πεεО) ifadesini kullanın.

Elektrik alan potansiyeli

Yüke etki eden alan kuvvetleri herhangi bir dış kuvvet tarafından dengelenmiyorsa, bir elektrik alanı her zaman bir yüke hareket verir. Bu, elektrik alanın potansiyel enerjiye, yani iş yapma yeteneğine sahip olduğu anlamına gelir.

Bir yükü uzayda bir noktadan diğerine hareket ettirerek, elektrik alanı çalışır ve bunun sonucunda alana potansiyel enerji arzı azalır.Bir yük, alan kuvvetlerine zıt olarak hareket eden bazı dış kuvvetlerin etkisi altında bir elektrik alanında hareket ederse, o zaman iş elektrik alan kuvvetleri tarafından değil, dış kuvvetler tarafından yapılır. Bu durumda alanın potansiyel enerjisi azalmakla kalmaz, aksine artar.

Bir elektrik alanında bir yükü hareket ettiren bir dış kuvvet tarafından yapılan iş, bu harekete karşı çıkan alan kuvvetlerinin büyüklüğü ile orantılıdır. Bu durumda dış kuvvetlerin yaptığı iş tamamen alanın potansiyel enerjisini arttırmaya harcanır. Alanı potansiyel enerjisi açısından karakterize etmek için, elektrik alan potansiyeli adı verilen bir miktar denir.

Bu miktarın özü aşağıdaki gibidir. Pozitif yükün ele alınan elektrik alanın dışında olduğunu varsayalım. Bu, alanın verilen yük üzerinde pratik olarak hiçbir etkisinin olmadığı anlamına gelir. Bir dış kuvvetin bu yükü elektrik alanına sokmasına izin verin ve alan kuvvetlerinin harekete karşı uyguladığı direncin üstesinden gelerek yükü alanda belirli bir noktaya taşıyın. Kuvvet tarafından yapılan iş ve dolayısıyla alanın potansiyel enerjisinin arttığı miktar tamamen alanın özelliklerine bağlıdır. Bu nedenle, bu çalışma belirli bir elektrik alanının enerjisini karakterize edebilir.

Alanda belirli bir noktaya yerleştirilen bir birim pozitif yük ile ilgili elektrik alan enerjisine, belirli bir noktadaki alan potansiyeli denir.

Potansiyel φ harfiyle, yük q harfiyle ve yükü hareket ettirmek için harcanan iş W ile gösteriliyorsa, belirli bir noktadaki alan potansiyeli φ = W / q formülü ile ifade edilecektir.

Buradan, belirli bir noktadaki elektrik alan potansiyelinin, birim pozitif yük belirli bir noktaya doğru alandan dışarı hareket ettiğinde, bir dış kuvvet tarafından yapılan işe sayısal olarak eşit olduğu sonucu çıkar. Alan potansiyeli volt (V) cinsinden ölçülür. Bir coulomb elektriğin alanın dışında belirli bir noktaya aktarılması sırasında, dış kuvvetler bir joule eşit iş yapmışsa, o zaman alandaki belirli bir noktadaki potansiyel bir volta eşittir: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

elektrik alan kuvveti

Herhangi bir elektrik alanında, pozitif yükler daha yüksek potansiyele sahip noktalardan daha düşük potansiyele sahip noktalara doğru hareket eder. Aksine, negatif yükler düşük potansiyelli noktalardan yüksek potansiyelli noktalara doğru hareket eder. Her iki durumda da iş, elektrik alanın potansiyel enerjisi pahasına yapılır.

Bu işi, yani pozitif yük q alanın 1 noktasından 2 noktasına hareket ettiğinde alanın potansiyel enerjisinin azalma miktarını bilirsek, o zaman bu noktalar arasındaki voltajı bulmak kolaydır. alan U1,2:

U1,2 = A/q,

burada A, q yükü 1 noktasından 2 noktasına aktarıldığında alan kuvvetlerinin yaptığı iştir. Elektrik alanındaki iki nokta arasındaki voltaj, sıfırın bir noktadan bir birim pozitif yük aktarmak için yaptığı işe sayısal olarak eşittir. sahada diğerine.

Görüldüğü gibi alanın iki noktası arasındaki gerilim ile aynı noktalar arasındaki potansiyel farkı aynı fiziksel birimi temsil etmektedir... Dolayısıyla gerilim ve potansiyel farkı terimleri aynıdır. Voltaj volt (V) cinsinden ölçülür.

Bir coulomb elektriği alanın bir noktasından diğerine aktarırken, alan kuvvetleri bir joule eşit iş yapıyorsa, iki nokta arasındaki voltaj bir volta eşittir: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

elektrik alan kuvveti

Coulomb yasasından, bu alana yerleştirilmiş başka bir yüke etki eden belirli bir yükün elektrik alan şiddetinin, alanın tüm noktalarında aynı olmadığı sonucu çıkar. Herhangi bir noktadaki elektrik alan, belirli bir noktaya yerleştirilmiş birim pozitif yüke etki ettiği kuvvetin büyüklüğü ile karakterize edilebilir.

Bu değeri bilerek, her bir Q yüküne etki eden F kuvveti belirlenebilir. alanda aynı noktaya yerleştirilmiş pozitif birim yüke etki eden kuvvet. Alanda belirli bir noktada birim pozitif yükün maruz kaldığı kuvvete sayısal olarak eşit olan E miktarına elektrik alan şiddeti denir.