Τι είναι ένα ηλεκτρικό πεδίο; Ορισμός, τύπος, παράδειγμα

Όταν ένα μπαλόνι τρίβεται εναντίον ενός πουλόβερ, το μπαλόνι χρεώνεται. Λόγω αυτής της φόρτισης, το μπαλόνι μπορεί να κολλήσει στους τοίχους, αλλά όταν τοποθετηθεί δίπλα σε ένα άλλο μπαλόνι που έχει επίσης τρίψει, το πρώτο μπαλόνι θα πετάξει προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Λέξεις-κλειδιά: Ηλεκτρικό πεδίο

Αυτό το φαινόμενο είναι το αποτέλεσμα μιας ιδιότητας της ύλης που ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρικά φορτία παράγουν ηλεκτρικά πεδία: περιοχές του χώρου γύρω από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια ή αντικείμενα στα οποία άλλα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια ή αντικείμενα θα αισθάνονται δύναμη.

Ένα ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο μπορεί να είναι είτε θετικό είτε αρνητικό, είναι μια ιδιότητα της ύλης που προκαλεί δύο αντικείμενα για να προσελκύσουν ή να απωθήσουν. Αν τα αντικείμενα είναι αντίθετα φορτισμένα (θετικά αρνητικά), θα προσελκύσουν. αν είναι παρομοίως χρεωμένα (θετικά-θετικά ή αρνητικά-αρνητικά), θα απωθούν.

Η μονάδα ηλεκτρικού φορτίου είναι το coulomb, το οποίο ορίζεται ως η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που μεταφέρεται από ένα ηλεκτρικό ρεύμα από 1 ampere σε 1 δευτερόλεπτο.

Άτομα, οι οποίες είναι οι βασικές μονάδες του ύλη, είναι κατασκευασμένα από τρεις τύπους σωματιδίων: ηλεκτρόνια, νετρόνια, και πρωτόνια. Τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και έχουν αρνητικό και θετικό φορτίο, αντίστοιχα. Ένα νετρόνιο δεν είναι ηλεκτρικά φορτισμένο.

Πολλά αντικείμενα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα και έχουν συνολικό καθαρό φορτίο μηδέν. Αν υπάρχει περίσσεια είτε ηλεκτρονίων είτε πρωτονίων, αποδίδοντας έτσι καθαρό φορτίο που δεν είναι μηδέν, τα αντικείμενα θεωρούνται ότι έχουν φορτιστεί.

Ένας τρόπος για την ποσοτικοποίηση του ηλεκτρικού φορτίου είναι η χρήση της σταθεράς e = 1.602 * 10^-19 coulombs. Ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο είναι η μικρότερη ποσότητα αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου, έχει φορτίο -1.602 * 10^-19 coulombs. Ένα πρωτόνιο, το οποίο είναι η μικρότερη ποσότητα θετικού ηλεκτρικού φορτίου, έχει φορτίο +1.602 * 10^-19 coulombs. Έτσι, 10 ηλεκτρόνια θα έχουν φορτίο -10 e, και 10 πρωτόνια θα έχουν φορτίο +10 e.

Τα ηλεκτρικά φορτία προσελκύουν ή απωθούν ο ένας τον άλλον επειδή ασκούν δυνάμεις μεταξύ τους. Η δύναμη μεταξύ δύο ηλεκτρικών φορτίων σημείων - εξιδανικευμένων φορτίων που συγκεντρώνονται σε ένα σημείο στο διάστημα - περιγράφεται από Ο νόμος του Coulomb. Ο νόμος του Coulomb δηλώνει ότι η δύναμη ή το μέγεθος της δύναμης μεταξύ των δύο σημείων επιβάρυνσης είναι ανάλογη των μεγεθών των φορτίων και Αντιστρόφως ανάλογη στην απόσταση μεταξύ των δύο φορτίων.

Μαθηματικά, αυτό δίνεται ως εξής:

F = (k | q₁q₂|) / r²

όπου q₁ είναι το φορτίο της φόρτισης του πρώτου σημείου, q₂ είναι το φορτίο του δεύτερου φορτίου, k = 8,988 * 10⁹ Nm²/ΝΤΟ² είναι η σταθερά του Coulomb και r είναι η απόσταση μεταξύ δύο φορτίων.

Αν και δεν υπάρχει τεχνικά καμία πραγματική επιβάρυνση σημείων, τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και άλλα σωματίδια είναι τόσο μικρά ώστε να μπορούν να είναι προσεγγισμένο με ένα σημείο φόρτισης.

Ένα ηλεκτρικό φορτίο παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο είναι μια περιοχή χώρου γύρω από ένα ηλεκτρικά φορτισμένο σωματίδιο ή αντικείμενο στο οποίο ένα ηλεκτρικό φορτίο θα νιώθει δύναμη. Το ηλεκτρικό πεδίο υπάρχει σε όλα τα σημεία του χώρου και μπορεί να παρατηρηθεί φέρνοντας ένα άλλο φορτίο στο ηλεκτρικό πεδίο. Ωστόσο, το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να προσεγγιστεί ως μηδέν για πρακτικούς σκοπούς, αν τα φορτία είναι αρκετά μακριά το ένα από το άλλο.

Τα ηλεκτρικά πεδία είναι α διανυσματική ποσότητα και μπορούν να απεικονιστούν ως βέλη που πηγαίνουν προς ή μακριά από τις χρεώσεις. Οι γραμμές ορίζονται ως δείκτες ακτινικά προς τα έξω, μακριά από θετικό φορτίο, ή ακτινικά προς τα μέσα, προς μια αρνητική χρέωση.

Το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου δίνεται από τον τύπο E = F / q, όπου E είναι η ισχύς του ηλεκτρικό πεδίο, F είναι η ηλεκτρική δύναμη και q είναι το φορτίο δοκιμής που χρησιμοποιείται για να «αισθάνεται» το ηλεκτρικό πεδίο.

Για δύο βαθμίδες, το F δίνεται από τον νόμο της Coulomb παραπάνω.

• Έτσι, F = (k | q₁q₂|) / r², όπου q₂ ορίζεται ως το τεστ chargethat που χρησιμοποιείται για να «αισθάνεται» το ηλεκτρικό πεδίο.
• Στη συνέχεια χρησιμοποιούμε τον τύπο ηλεκτρικού πεδίου για να πάρουμε E = F / q₂, δεδομένου ότι το q₂ έχει οριστεί ως η επιβάρυνση δοκιμής.
• Μετά την αντικατάσταση του F, E = (k | q₁|) / r².

• Fitzpatrick, Ρίτσαρντ. “Ηλεκτρικά Πεδία.” Το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Όστιν, 2007.
• Lewandowski, Heather και Chuck Rogers. "Ηλεκτρικά πεδία". Πανεπιστήμιο του Κολοράντο στο Boulder, 2008.
• Richmond, Michael. “Electric Charge και νόμος του Coulomb.” Ινστιτούτο Τεχνολογίας του Rochester.