Elektrivälja omadused

Artiklis kirjeldatakse elektrivälja põhiomadusi: potentsiaal, pinge ja intensiivsus.

Mis on elektriväli

Elektrivälja tekitamiseks on vaja tekitada elektrilaeng. Laenguid ümbritseva ruumi omadused (laetud kehad) erinevad selle ruumi omadustest, milles laenguid ei ole. Samas ei muutu ruumi omadused, kui sinna elektrilaeng sisestada, hetkega: muutus saab alguse laengust ja levib teatud kiirusega ühest ruumipunktist teise.

Laengut sisaldavas ruumis avalduvad mehaanilised jõud, mis mõjuvad teistele sellesse ruumi sisestatud laengutele. Need jõud ei tulene mitte ühe laengu otsesest mõjust teisele, vaid kvalitatiivselt muutunud keskkonna kaudu.

Elektrilaenguid ümbritsevat ruumi, milles avalduvad sellesse sisestatud elektrilaengutele mõjuvad jõud, nimetatakse elektriväljaks.

Elektriväljas olev laeng liigub välja küljelt sellele mõjuva jõu suunas.Sellise laengu puhkeseisund on võimalik ainult siis, kui laengule on rakendatud mingi väline (välis) jõud, mis tasakaalustab elektrivälja tugevust.

Niipea, kui välisjõu ja väljatugevuse tasakaal on häiritud, hakkab laeng uuesti liikuma. Selle liikumise suund langeb alati kokku suurema jõu suunaga.

Selguse huvides on elektrivälja kujutatud tavaliselt nn elektrivälja joontega. Need jooned langevad kokku elektriväljas mõjuvate jõudude suunaga. Samas lepiti kokku tõmmata nii palju jooni, et nende arv iga 1 cm2 joontega risti paigaldatud ala kohta oli võrdeline välja tugevusega vastavas punktis.

Välja suunaks peetakse tavaliselt antud väljale paigutatud positiivsele laengule mõjuva väljatugevuse suunda. Positiivseid laenguid tõrjuvad positiivsed laengud ja tõmbavad neid negatiivsed laengud. Seetõttu on väli suunatud positiivsetelt laengutelt negatiivsetele.

Jõujoonte suund on joonistel näidatud nooltega. Teadus on tõestanud, et elektrivälja jõujoontel on algus ja lõpp, see tähendab, et nad ei ole iseenesest suletud. Välja oletatava suuna põhjal leiame, et jõujooned algavad positiivsete laengutega (positiivselt laetud kehad) ja lõpevad negatiivsetega.

Riis. 1. Näited jõujooni kasutava elektrivälja kujutise kohta: a – ühe positiivse laenguga elektriväli, b – ühe negatiivse laenguga elektriväli, c – kahe vastandliku laenguga elektriväli, d – an kahe sarnase laengu elektriväli

Joonisel fig.1 on kujutatud jõujoonte abil kujutatud elektrivälja näiteid. Tuleb meeles pidada, et elektrivälja jooned on vaid viis välja graafiliseks kujutamiseks. Siin pole jõujoone mõistel suuremat sisu.

Coulombi seadus

Kahe laengu vastastikmõju tugevus sõltub laengute suurusest ja vastastikusest paigutusest, samuti nende keskkonna füüsikalistest omadustest.

Kahe elektrifitseeritud füüsilise keha puhul, mille mõõtmed on kehadevahelise kaugusega võrreldes ebaolulised, määratakse vastastikmõju paranemine matemaatiliselt järgmiselt:

kus F on laengute vastasmõju njuutonites (N), k – laengute vaheline kaugus meetrites (m), Q1 ja Q2 – elektrilaengute suurus kulonides (k), k on proportsionaalsustegur, mille väärtus sõltub laenguid ümbritseva keskkonna omadustest.

Ülaltoodud valem kõlab järgmiselt: kahe punktlaengu vastastikmõju jõud on võrdeline nende laengute suuruste korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga (Coulombi seadus).

Proportsionaalsusteguri k määramiseks kasuta avaldist k = 1 /(4πεεО).

Elektrivälja potentsiaal

Elektriväli annab laengule alati liikumise, kui laengule mõjuvaid väljajõude ei tasakaalusta ükski välisjõud. See tähendab, et elektriväljal on potentsiaalne energia, see tähendab võime tööd teha.

Liikudes laengut ühest ruumipunktist teise, elektriväli küll töötab, mille tulemusena väheneb välja varustamine potentsiaalse energiaga.Kui laeng liigub elektriväljas mingi väljajõududele vastupidise välisjõu toimel, siis tööd ei tee mitte elektrivälja jõud, vaid välisjõud. Sel juhul välja potentsiaalne energia mitte ainult ei vähene, vaid, vastupidi, suureneb.

Töö, mida teeb elektriväljas laengut liigutav välisjõud, on võrdeline sellele liikumisele vastandlike väljajõudude suurusega. Sel juhul välisjõudude poolt tehtud töö kulub täielikult välja potentsiaalse energia suurendamisele. Välja iseloomustamiseks selle potentsiaalse energia poolelt nimetatakse suurust, mida nimetatakse elektrivälja potentsiaaliks.

Selle koguse olemus on järgmine. Oletame, et positiivne laeng on väljaspool vaadeldavat elektrivälja. See tähendab, et väljal antud laengule praktiliselt puudub mõju. Laske välisjõul viia see laeng elektrivälja ja, ületades väljajõudude poolt avaldatava liikumistakistuse, viige laeng välja antud punkti. Jõu poolt tehtav töö ja seega ka hulk, mille võrra välja potentsiaalne energia on suurenenud, sõltub täielikult välja omadustest. Seetõttu saab see töö iseloomustada antud elektrivälja energiat.

Elektrivälja energiat, mis on seotud välja antud punktis asetatud positiivse laengu ühikuga, nimetatakse väljapotentsiaaliks antud punktis.

Kui potentsiaali tähistatakse tähega φ, laengut tähega q ja laengu liigutamiseks kuluvat tööd W võrra, siis väljendatakse väljapotentsiaal antud punktis valemiga φ = W / q.

Sellest järeldub, et elektrivälja potentsiaal antud punktis on arvuliselt võrdne välisjõu tööga, kui ühikuline positiivne laeng liigub väljast välja antud punkti suunas. Väljapotentsiaali mõõdetakse voltides (V). Kui ühe kulonilise elektrienergia ülekandmisel väljastpoolt antud punkti on välisjõud teinud tööd, mis võrdub ühe džauliga, siis antud välja punktis on potentsiaal võrdne ühe voltiga: 1 volt = 1 džaul / 1 kulon

Elektrivälja tugevus

Igas elektriväljas liiguvad positiivsed laengud kõrgema potentsiaaliga punktidest madalama potentsiaaliga punktidesse. Vastupidi, negatiivsed laengud liiguvad madalama potentsiaaliga punktidest kõrgema potentsiaaliga punktidesse. Mõlemal juhul tehakse tööd elektrivälja potentsiaalse energia arvelt.

Kui teame seda tööd ehk summat, mille võrra on välja potentsiaalne energia vähenenud positiivse laengu q liikumisel välja punktist 1 punkti 2, siis on lihtne leida pinge nende punktide vahel. väli U1,2:

U1,2 = A / q,

kus A on töö, mida väljajõud teevad laengu q ülekandmisel punktist 1 punkti 2. Elektrivälja kahe punkti vaheline pinge on arvuliselt võrdne nulliga tehtud tööga ühikulise positiivse laengu ülekandmiseks ühest punktist põllul teisele.

Nagu näha, esindavad pinge kahe välja punkti vahel ja potentsiaalide erinevus samade punktide vahel sama füüsilist ühikut... Seetõttu on terminid pinge ja potentsiaalide erinevus samad. Pinge mõõdetakse voltides (V).

Kahe punkti vaheline pinge on võrdne ühe voltiga, kui ühe kuloni elektrienergia ülekandmisel ühest välja punktist teise töötavad väljajõud võrdselt ühe džauliga: 1 volt = 1 džaul / 1 kulon

Elektrivälja tugevus

Coulombi seadusest järeldub, et antud laengu elektrivälja tugevus, mis toimib teisele sellesse välja asetatud laengule, ei ole kõigis välja punktides sama. Elektrivälja mis tahes punktis saab iseloomustada jõu suuruse järgi, millega see mõjub antud punkti asetatud ühikulisele positiivsele laengule.

Seda väärtust teades saab määrata igale laengule Q mõjuva jõu F. Võid kirjutada, et F = Q x E, kus F on jõud, mis mõjub elektrivälja poolt välja punkti asetatud laengule Q, E on jõud, mis mõjub välja samasse punkti asetatud ühikulisele positiivsele laengule. Suurust E, mis on arvuliselt võrdne jõuga, mida kogeb ühikuline positiivne laeng välja antud punktis, nimetatakse elektrivälja tugevuseks.