Característiques del camp elèctric

L'article descriu les principals característiques del camp elèctric: potencial, voltatge i intensitat.

Què és un camp elèctric

Per crear un camp elèctric, cal crear una càrrega elèctrica. Les propietats de l'espai al voltant de les càrregues (cossos carregats) difereixen de les propietats de l'espai en què no hi ha càrregues. Al mateix temps, les propietats de l'espai, quan s'hi introdueix una càrrega elèctrica, no canvien a l'instant: el canvi parteix de la càrrega i s'estén amb una certa velocitat d'un punt de l'espai a un altre.

En un espai que conté una càrrega, es manifesten forces mecàniques que actuen sobre altres càrregues introduïdes en aquest espai. Aquestes forces no són el resultat de l'acció directa d'una càrrega sobre una altra, sinó de l'acció a través d'un mitjà qualitativament canviat.

L'espai al voltant de les càrregues elèctriques, en el qual es manifesten les forces que actuen sobre les càrregues elèctriques que s'hi introdueixen, s'anomena camp elèctric.

Una càrrega en un camp elèctric es mou en la direcció de la força que actua sobre ell des del costat del camp.L'estat de repòs d'aquesta càrrega només és possible quan s'aplica una força externa (externa) a la càrrega que equilibra la força del camp elèctric.

Tan bon punt es pertorba l'equilibri entre la força externa i la força del camp, la càrrega comença a moure's de nou. La direcció del seu moviment coincideix sempre amb la direcció de la força major.

Per a més claredat, el camp elèctric normalment es representa amb les anomenades línies de camp elèctric. Aquestes línies coincideixen amb la direcció de les forces que actuen en el camp elèctric. Al mateix temps, es va acordar traçar tantes línies que el seu nombre per cada 1 cm2 de la superfície instal·lada perpendicularment a les línies fos proporcional a la força del camp en el punt corresponent.

La direcció del camp es pren normalment com la direcció de la intensitat del camp que actua sobre una càrrega positiva col·locada en un camp determinat. Les càrregues positives són repel·lides per càrregues positives i atretes per càrregues negatives. Per tant, el camp es dirigeix ​​de càrregues positives a negatives.

La direcció de les línies de força s'indica als dibuixos amb fletxes. La ciència ha demostrat que les línies de força d'un camp elèctric tenen un principi i un final, és a dir, no estan tancades per elles mateixes. A partir de la direcció assumida del camp, trobem que les línies de força comencen amb càrregues positives (cossos carregats positivament) i acaben amb càrregues negatives.

Arròs. 1. Exemples d'imatge d'un camp elèctric utilitzant línies de força: a — un camp elèctric amb una única càrrega positiva, b — un camp elèctric amb una única càrrega negativa, c — un camp elèctric de dues càrregues oposades, d — an camp elèctric de dues càrregues semblants

A la fig.La figura 1 mostra exemples d'un camp elèctric representat mitjançant línies de força. Cal recordar que les línies de camp elèctric només són una forma de representar gràficament un camp. Aquí no hi ha una substància més gran al concepte de línia de força.

llei de Coulomb

La força de la interacció entre dues càrregues depèn de la mida i la disposició mútua de les càrregues, així com de les propietats físiques del seu entorn.

Per a dos cossos físics electrificats, les dimensions dels quals són insignificants en comparació amb la distància entre els cossos, la curació de la interacció es determina matemàticament de la següent manera:

on F és la força d'interacció de les càrregues en newtons (N), k - distància entre càrregues en metres (m), Q1 i Q2 - magnitud de les càrregues elèctriques en coulombs (k), k és el coeficient de proporcionalitat, el valor del qual depèn de les propietats del medi que envolta les càrregues.

La fórmula anterior diu així: la força d'interacció entre dues càrregues puntuals és directament proporcional al producte de les magnituds d'aquestes càrregues i inversament proporcional al quadrat de la distància entre elles (llei de Coulomb).

Per determinar el factor de proporcionalitat k, utilitzeu l'expressió k = 1 /(4πεεО).

Potencial de camp elèctric

Un camp elèctric sempre imparteix moviment a una càrrega si les forces de camp que actuen sobre la càrrega no estan equilibrades per cap força externa. Això implica que el camp elèctric té energia potencial, és a dir, la capacitat de fer treball.

En moure una càrrega d'un punt de l'espai a un altre, el camp elèctric funciona, com a resultat de la qual cosa disminueix l'oferta d'energia potencial al camp.Si una càrrega es mou en un camp elèctric sota l'acció d'alguna força externa que actua oposada a les forces de camp, aleshores el treball no el fan les forces del camp elèctric, sinó les forces externes. En aquest cas, l'energia potencial del camp no només no disminueix, sinó que, al contrari, augmenta.

El treball realitzat per una força externa que mou una càrrega en un camp elèctric és proporcional a la magnitud de les forces de camp que s'oposen a aquest moviment. El treball realitzat en aquest cas per forces externes es dedica íntegrament a augmentar l'energia potencial del camp. Per caracteritzar el camp des del costat de la seva energia potencial, s'anomena una quantitat anomenada potencial de camp elèctric.

L'essència d'aquesta quantitat és la següent. Suposem que la càrrega positiva està fora del camp elèctric considerat. Això vol dir que el camp pràcticament no té cap efecte sobre el càrrec donat. Deixem que una força externa introdueixi aquesta càrrega en el camp elèctric i, superant la resistència al moviment que exerceixen les forces de camp, traslladem la càrrega a un punt determinat del camp. El treball realitzat per la força i, per tant, la quantitat en què ha augmentat l'energia potencial del camp, depèn completament de les propietats del camp. Per tant, aquest treball pot caracteritzar l'energia d'un camp elèctric determinat.

L'energia del camp elèctric relacionada amb una unitat de càrrega positiva situada en un punt determinat del camp s'anomena potencial de camp en un punt donat.

Si el potencial es denota amb la lletra φ, la càrrega amb la lletra q i el treball gastat en moure la càrrega per W, aleshores el potencial de camp en un punt donat s'expressarà mitjançant la fórmula φ = W / q.

Es dedueix que el potencial del camp elèctric en un punt donat és numèricament igual al treball realitzat per una força externa quan una unitat de càrrega positiva es mou fora del camp cap a un punt donat. El potencial de camp es mesura en volts (V). Si durant la transferència d'un coulomb d'electricitat fora del camp a un punt donat, les forces externes han fet un treball igual a un joule, aleshores el potencial en un punt donat del camp és igual a un volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensitat del camp elèctric

En qualsevol camp elèctric, les càrregues positives es mouen des dels punts de major potencial a punts de menor potencial. Al contrari, les càrregues negatives es mouen de punts de menor potencial a punts de major potencial. En ambdós casos, el treball es fa a costa de l'energia potencial del camp elèctric.

Si coneixem aquest treball, és a dir, la quantitat en què l'energia potencial del camp ha disminuït quan la càrrega positiva q es mou del punt 1 del camp al punt 2, llavors és fàcil trobar la tensió entre aquests punts del camp. camp U1,2:

U1,2 = A / q,

on A és el treball realitzat per les forces de camp quan la càrrega q es transfereix del punt 1 al punt 2. La tensió entre dos punts del camp elèctric és numèricament igual al treball fet per zero per transferir una unitat de càrrega positiva d'un punt al camp a un altre.

Com es pot veure, la tensió entre dos punts del camp i la diferència de potencial entre els mateixos punts representen la mateixa unitat física... Per tant, els termes tensió i diferència de potencial són els mateixos. La tensió es mesura en volts (V).

La tensió entre dos punts és igual a un volt si, quan es transfereix un coulomb d'electricitat d'un punt del camp a un altre, les forces de camp funcionen igual a un joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensitat del camp elèctric

De la llei de Coulomb es dedueix que la intensitat del camp elèctric d'una càrrega donada que actua sobre una altra càrrega situada en aquest camp no és la mateixa en tots els punts del camp. El camp elèctric en qualsevol punt es pot caracteritzar per la magnitud de la força amb què actua sobre una unitat de càrrega positiva col·locada en un punt donat.

Coneixent aquest valor, es pot determinar la força F que actua sobre cada càrrega Q. Podeu escriure que F = Q x E, on F és la força que actua sobre la càrrega Q situada en un punt del camp pel camp elèctric, E és la força que actua sobre una unitat de càrrega positiva situada en el mateix punt del camp. La quantitat E numèricament igual a la força experimentada per una unitat de càrrega positiva en un punt donat del camp s'anomena intensitat del camp elèctric.