מאפייני שדה חשמלי

המאמר מתאר את המאפיינים העיקריים של השדה החשמלי: פוטנציאל, מתח ועוצמה.

מהו שדה חשמלי

כדי ליצור שדה חשמלי, יש צורך ליצור מטען חשמלי. תכונות המרחב סביב המטענים (גופים טעונים) שונים מתכונות המרחב בו אין מטענים. יחד עם זאת, תכונות החלל, כאשר מכניסים לתוכו מטען חשמלי, אינן משתנות באופן מיידי: השינוי מתחיל מהמטען ומתפשט במהירות מסוימת מנקודה אחת בחלל לאחרת.

בחלל המכיל מטען, באים לידי ביטוי כוחות מכניים הפועלים על מטענים אחרים המוכנסים לחלל זה. כוחות אלו אינם תוצאה של פעולה ישירה של מטען אחד על מטען אחר, אלא של פעולה באמצעות מדיום שונה מבחינה איכותית.

המרחב סביב מטענים חשמליים, שבו באים לידי ביטוי הכוחות הפועלים על המטענים החשמליים המוכנסים אליו, נקרא שדה חשמלי.

מטען בשדה חשמלי נע בכיוון הכוח הפועל עליו מצד השדה.מצב המנוחה של מטען כזה אפשרי רק כאשר מופעל על המטען כוח חיצוני (חיצוני) שמאזן את עוצמת השדה החשמלי.

ברגע שהאיזון בין הכוח החיצוני לחוזק השדה מופר, המטען מתחיל לנוע שוב. כיוון התנועה שלו תמיד עולה בקנה אחד עם כיוון הכוח הגדול יותר.

לשם הבהירות, השדה החשמלי מיוצג בדרך כלל על ידי מה שנקרא קווי שדה חשמלי. קווים אלו עולים בקנה אחד עם כיוון הכוחות הפועלים בשדה החשמלי. יחד עם זאת, הוסכם לשרטט כל כך הרבה קווים שמספרם על כל 1 ס"מ משטח המותקן בניצב לקווים היה פרופורציונלי לחוזק השדה בנקודה המקבילה.

בדרך כלל מתייחסים לכיוון השדה ככיוון של עוצמת השדה הפועלת על מטען חיובי המוצב בשדה נתון. מטענים חיוביים נדחים על ידי מטענים חיוביים ונמשכים למטענים שליליים. לכן, השדה מכוון ממטענים חיוביים לשליליים.

כיוון קווי הכוח מצוין בציורים בחצים. המדע הוכיח שלקווי הכוח של שדה חשמלי יש התחלה וסוף, כלומר, הם אינם סגורים מעצמם. בהתבסס על הכיוון המשוער של השדה, אנו מוצאים שקווי הכוח מתחילים במטענים חיוביים (גופים בעלי מטען חיובי) ומסתיימים בשליליים.

אורז. 1. דוגמאות לתמונה של שדה חשמלי באמצעות קווי כוח: א - שדה חשמלי עם מטען חיובי יחיד, b - שדה חשמלי עם מטען שלילי יחיד, ג - שדה חשמלי של שני מטענים מנוגדים, d - an שדה חשמלי של שני מטענים דומים

באיור.1 מציג דוגמאות של שדה חשמלי המתואר באמצעות קווי כוח. יש לזכור שקווי שדה חשמלי הם רק דרך לייצוג גרפי של שדה. אין כאן מהות גדולה יותר למושג קו הכוח.

חוק קולומב

עוצמת האינטראקציה בין שני מטענים תלויה בגודל ובסידור ההדדי של המטענים, כמו גם בתכונות הפיזיקליות של סביבתם.

עבור שני גופים פיזיקליים מחושמלים, שמידותיהם אינן משמעותיות בהשוואה למרחק בין הגופים, הריפוי של האינטראקציה נקבע באופן מתמטי באופן הבא:

כאשר F הוא כוח האינטראקציה של מטענים בניוטון (N), k - מרחק בין מטענים במטרים (m), Q1 ו-Q2 - גודל המטענים החשמליים בקולומבים (k), k הוא מקדם המידתיות, שערכו תלוי בתכונות המדיום המקיף את המטענים.

הנוסחה הנ"ל נראית כך: כוח האינטראקציה בין שני מטענים נקודתיים עומד ביחס ישר למכפלת גדלות המטענים הללו וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם (חוק קולומב).

כדי לקבוע את גורם המידתיות k, השתמש בביטוי k = 1 /(4πεεО).

פוטנציאל שדה חשמלי

שדה חשמלי תמיד מעניק תנועה למטען אם כוחות השדה הפועלים על המטען אינם מאוזנים על ידי כוחות חיצוניים כלשהם. זה מרמז שלשדה החשמלי יש אנרגיה פוטנציאלית, כלומר, היכולת לבצע עבודה.

על ידי העברת מטען מנקודה אחת במרחב לאחרת, השדה החשמלי אכן פועל, וכתוצאה מכך יורדת אספקת האנרגיה הפוטנציאלית לשדה.אם מטען נע בשדה חשמלי תחת פעולת כוח חיצוני כלשהו הפועל מנוגד לכוחות השדה, אז העבודה נעשית לא על ידי כוחות השדה החשמלי, אלא על ידי כוחות חיצוניים. במקרה זה, האנרגיה הפוטנציאלית של השדה לא רק שאינה יורדת, אלא להיפך, עולה.

העבודה שעשה כוח חיצוני המניע מטען בשדה חשמלי היא פרופורציונלית לגודל כוחות השדה המתנגדים לתנועה זו. העבודה שנעשתה במקרה זה על ידי כוחות חיצוניים מושקעת כולה על הגדלת האנרגיה הפוטנציאלית של השדה. כדי לאפיין את השדה מהצד של האנרגיה הפוטנציאלית שלו, נקראת כמות הנקראת פוטנציאל שדה חשמלי.

המהות של כמות זו היא כדלקמן. נניח שהמטען החיובי נמצא מחוץ לשדה החשמלי הנדון. המשמעות היא שלשדה אין כמעט השפעה על החיוב הנתון. תן לכוח חיצוני להכניס את המטען הזה לשדה החשמלי, ותתגבר על ההתנגדות לתנועה שמפעילים כוחות השדה, להזיז את המטען לנקודה נתונה בשדה. העבודה שעושה הכוח, ומכאן הכמות שבה גדלה האנרגיה הפוטנציאלית של השדה, תלויה לחלוטין בתכונות השדה. לכן, עבודה זו יכולה לאפיין את האנרגיה של שדה חשמלי נתון.

אנרגיית השדה החשמלי הקשורה ליחידת מטען חיובי הממוקמת בנקודה נתונה בשדה נקראת פוטנציאל השדה בנקודה נתונה.

אם הפוטנציאל מסומן באות φ, המטען באות q והעבודה שהושקעה בהעברת המטען ב-W, אזי פוטנציאל השדה בנקודה נתונה יבוא לידי ביטוי בנוסחה φ = W / q.

מכאן נובע שפוטנציאל השדה החשמלי בנקודה נתונה שווה מבחינה מספרית לעבודה שנעשתה על ידי כוח חיצוני כאשר מטען חיובי יחידה נע מהשדה לעבר נקודה נתונה. פוטנציאל השדה נמדד בוולט (V). אם במהלך העברת קולומב אחד של חשמל מחוץ לשדה לנקודה נתונה, כוחות חיצוניים עשו עבודה השווה לג'אול אחד, אזי הפוטנציאל בנקודה נתונה בשדה שווה לוולט אחד: 1 וולט = 1 ג'ול / 1 קולומב

חוזק שדה חשמלי

בכל שדה חשמלי, מטענים חיוביים נעים מנקודות בעלות פוטנציאל גבוה לנקודות בעלות פוטנציאל נמוך יותר. להיפך, מטענים שליליים נעים מנקודות בעלות פוטנציאל נמוך יותר לנקודות בעלות פוטנציאל גבוה יותר. בשני המקרים, העבודה נעשית על חשבון האנרגיה הפוטנציאלית של השדה החשמלי.

אם אנו מכירים את העבודה הזו, כלומר, הכמות שבה האנרגיה הפוטנציאלית של השדה ירדה כאשר המטען החיובי q נע מנקודה 1 של השדה לנקודה 2, אז קל למצוא את המתח בין נקודות אלו של השדה. שדה U1,2:

U1,2 = A / q,

כאשר A היא העבודה שנעשית על ידי כוחות השדה כאשר המטען q מועבר מנקודה 1 לנקודה 2. המתח בין שתי נקודות בשדה החשמלי שווה מספרית לעבודה שנעשתה באפס להעברת מטען חיובי יחידה מנקודה אחת בשטח לאחר.

כפי שניתן לראות, המתח בין שתי נקודות של השדה והפרש הפוטנציאל בין אותן נקודות מייצגים את אותה יחידה פיזיקלית... לכן, המונחים מתח והפרש פוטנציאל זהים. המתח נמדד בוולט (V).

המתח בין שתי נקודות שווה לוולט אחד אם, בעת העברת קולום אחד של חשמל מנקודה אחת של השדה לאחרת, כוחות השדה אכן עובדים שווה לג'אול אחד: 1 וולט = 1 ג'ול / 1 קולום.

חוזק שדה חשמלי

מחוק קולומב עולה שעוצמת השדה החשמלי של מטען נתון הפועל על מטען אחר המוצב בשדה זה אינה זהה בכל נקודות השדה. ניתן לאפיין את השדה החשמלי בכל נקודה על ידי גודל הכוח שבו הוא פועל על מטען חיובי יחידה המוצב בנקודה נתונה.

לדעת ערך זה, ניתן לקבוע את הכוח F הפועל על כל מטען Q. ניתן לכתוב ש-F = Q x E, כאשר F הוא הכוח הפועל על המטען Q המוצב בנקודה בשדה על ידי השדה החשמלי, E הוא הכוח הפועל על מטען חיובי יחידה המוצב באותה נקודה בשדה. הכמות E שווה מספרית לכוח שחווה יחידת מטען חיובי בנקודה נתונה בשדה נקראת עוצמת השדה החשמלי.