Co to jest pole elektryczne? Definicja, wzór, przykład

sakkmesterke / Getty Images

Kiedy balon pociera się o sweter, balon zostaje naładowany. Z powodu tego ładunku balon może przyklejać się do ścian, ale po umieszczeniu obok innego balonu, który również został potarty, pierwszy balon poleci w przeciwnym kierunku.

Kluczowe dania na wynos: pole elektryczne

• Ładunek elektryczny to właściwość materii, która powoduje, że dwa obiekty przyciągają się lub odpychają w zależności od ich ładunków (dodatnich lub ujemnych).
• Pole elektryczne to obszar przestrzeni wokół naładowanej elektrycznie cząstki lub obiektu, w którym ładunek elektryczny odczuwałby siłę.
• Pole elektryczne jest wielkością wektorową i może być wizualizowane jako strzałki zbliżające się lub oddalające od ładunków. Linie są zdefiniowane jako wskazujące promieniowo na zewnątrz , z dala od ładunku dodatniego, lub promieniowo do wewnątrz , w kierunku ładunku ujemnego.

Zjawisko to jest wynikiem właściwości materii zwanej ładunkiem elektrycznym. Ładunki elektryczne wytwarzają pola elektryczne: obszary przestrzeni wokół naładowanych elektrycznie cząstek lub obiektów, w których inne elektrycznie naładowane cząstki lub obiekty odczuwałyby siłę.

Definicja ładunku elektrycznego

Ładunek elektryczny, który może być dodatni lub ujemny, jest właściwością materii, która powoduje, że dwa obiekty przyciągają się lub odpychają. Jeśli przedmioty są naładowane przeciwnie (dodatnio-ujemnie), będą się przyciągać; jeśli są podobnie naładowane (dodatni-dodatni lub ujemnie-ujemny), będą się odpychać.

Jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb, który jest definiowany jako ilość energii elektrycznej przenoszonej przez an prąd elektryczny 1 amper w ciągu 1 sekundy.

Atomy , które są podstawowymi jednostkami materiał , składają się z trzech rodzajów cząstek: elektrony , neutrony , oraz protony . Same elektrony i protony są naładowane elektrycznie i mają odpowiednio ładunek ujemny i dodatni. Neutron nie jest naładowany elektrycznie.

Wiele obiektów jest elektrycznie obojętnych i ma całkowity ładunek netto równy zero. Jeśli występuje nadmiar elektronów lub protonów, dając w ten sposób ładunek netto, który nie jest zerowy, obiekty uważa się za naładowane.

Jednym ze sposobów ilościowego określenia ładunku elektrycznego jest użycie stałej e = 1,602 *10^-19kulomby. Elektron, który jest najmniejszy ilość ujemnego ładunku elektrycznego, ma ładunek -1,602 *10^-19kulomby. Proton, który jest najmniejszą ilością dodatniego ładunku elektrycznego, ma ładunek +1.602 *10^-19kulomby. Zatem 10 elektronów miałoby ładunek -10 e, a 10 protonów miałoby ładunek +10 e.

Prawo Coulomba

Ładunki elektryczne przyciągają się lub odpychają, ponieważ wywierają siły na siebie. Siła między dwoma punktowymi ładunkami elektrycznymi — wyidealizowanymi ładunkami skupionymi w jednym punkcie w przestrzeni — jest opisana przez Prawo Coulomba . Prawo Coulomba mówi, że siła lub wielkość siły między dwoma ładunkami punktowymi wynosi proporcjonalna do wielkości ładunków i odwrotnie proporcjonalny na odległość między dwoma ładunkami.

Matematycznie jest to podane jako:

F = (k|q₁q_dwa|)/r^dwa

gdzie q₁jest ładunkiem pierwszego ładunku punktowego, q_dwajest ładunkiem drugiego ładunku punktowego, k = 8,988 * 10⁹Nm^dwa/C^dwajest stałą Coulomba, a r jest odległością między dwoma ładunkami punktowymi.

Chociaż technicznie nie ma prawdziwych ładunków punktowych, elektrony, protony i inne cząstki są tak małe, że mogą być przybliżony za opłatą punktową.

Formuła pola elektrycznego

Ładunek elektryczny wytwarza pole elektryczne, które jest obszarem przestrzeni wokół naładowanej elektrycznie cząstki lub obiektu, w którym ładunek elektryczny odczuwałby siłę. Pole elektryczne istnieje we wszystkich punktach przestrzeni i można je zaobserwować, wprowadzając kolejny ładunek do pola elektrycznego. Jednak ze względów praktycznych pole elektryczne można przybliżyć jako zero, jeśli ładunki są wystarczająco daleko od siebie.

Pola elektryczne są wielkość wektorowa i mogą być wizualizowane jako strzały skierowane do lub od ładunków. Linie są zdefiniowane jako wskazujące promieniowo na zewnątrz , z dala od ładunku dodatniego, lub promieniowo do wewnątrz , w kierunku ładunku ujemnego.

Wielkość pola elektrycznego jest wyrażona wzorem E = F/q, gdzie E to siła pola elektrycznego, F to siła elektryczna, a q to ładunek testowy używany do odczuwania pola elektrycznego.

Przykład: Pole elektryczne ładunków 2-punktowych

Dla ładunków dwupunktowych F jest podane przez powyższe prawo Coulomba.

• Zatem F = (k|q₁q_dwa|)/r^dwa, gdzie q_dwajest zdefiniowany jako opłata testowa który jest używany do odczuwania pola elektrycznego.
• Następnie używamy wzoru na pole elektryczne, aby otrzymać E = F/q_dwa, ponieważ q_dwazostała zdefiniowana jako opłata testowa.
• Po podstawieniu za F, E = (k|q₁|)/r^dwa.

Źródła

• Fitzpatrick, Richard. Pola elektryczne . Uniwersytet Teksasu w Austin , 2007.
• Lewandowski, Heather i Chuck Rogers. Pola elektryczne. Uniwersytet Kolorado w Boulder , 2008.
• Richmond, Michael. Ładunek elektryczny i prawo Coulomba . Instytut Technologii w Rochester.