Fizikal

medan elektrik

1626
64
Donnie Ryan

Medan elektrik positif (kiri) dan negatif (kanan). Sumber: Wikimedia Commons

Apakah medan elektrik?

Dia medan elektrik Adalah harta yang objek yang dimuatkan dengan mempengaruhi ruang sekitarnya, yang dilihat oleh badan -badan lain yang dikenakan elektrik. Tetapi, tidak seperti daya elektrik antara beban, medan elektrik hanya bergantung pada beban yang menghasilkannya.

Michael Faraday (1791-1867), seorang ahli fizik Inggeris, mencipta konsep bidang dengan memerhatikan bahawa sebarang cas elektrik mempengaruhi ruang yang mengelilinginya, sehingga tidak perlu bersentuhan dengan beban lain sehingga interaksi terjadi.

Tidak perlu beban dalam medium material, kerana interaksi dapat diberikan dalam vakum.

Untuk memvisualisasikan bentuk medan elektrik, anggap beban khusus dan positif, dipanggil +q, saiznya sangat kecil sehingga tidak perlu mengambil kira dimensinya. Bidang yang dihasilkannya mampu menjejaskan caj lain, seperti beban titik ujian positif yang lain q_{Sama ada}.

Beban ujian diletakkan di lokasi yang berbeza di sekitar +Q, dan untuk menjadi positif, daya yang +q menggunakan q_{Sama ada} Ia adalah penolakan.

Melukis daya daya pada beban q_{Sama ada} Di setiap titik ruang yang ditempati, dan mengeluarkannya, terdapat satu set garis yang muncul dari beban +Q (lihat imej di atas, ke kiri).

Apabila mengulangi pengalaman dengan beban negatif - q, garis juga radial, tetapi masuk ke - q. Dalam kedua -dua kes, garis -garisnya adalah tangen ke medan elektrik vektor beban, keluar daripadanya apabila ia positif, dan masuk jika negatif.

Formula dan unit

Sekiranya di kawasan ruang terdapat medan elektrik Dan, Caj elektrik q_{Sama ada} Pengalaman, terima kasih kepadanya, kekuatan yang diberikan oleh:

Boleh melayani anda: ralat rawak: formula dan persamaan, pengiraan, contoh, latihan

F = Q_{Sama ada}Dan

Jadi itu:

$\mathbfE=\frac\mathbfF\mathrmq_o$

Unit medan elektrik dalam sistem unit antarabangsa ialah Newton/Coulomb, yang disingkat N/C. Ia juga biasa untuk menyatakan medan elektrik dari segi magnitud skalar yang dipanggil potensi elektrik, di mana medan untuk medan adalah volt/meter (v/m).

Medan elektrik beban tepat waktu

Medan Dan dihasilkan oleh beberapa objek dengan beban q. Membuat beban percubaan sangat kecil, iaitu, menjadikan q_{Sama ada} cenderung kepada 0, vektor Dan adalah:

$\mathbfE=\lim_q_o\rightarrow 0\frac\mathbfF_o\mathrmq_o$ Dengan F_{Sama ada}daya antara q dan q_{Sama ada}.

Niat ketika mengambil had adalah untuk membuat beban percubaan cukup kecil sehingga medannya tidak mengubah orang yang ingin mengira.

Jika apa beban tepat waktu, menurut undang -undang Coulomb, daya antara caj q dan q_{Sama ada}, Kedua -duanya memisahkan jarak R, diberikan oleh:

$\mathbfF_o=k\fracq\cdot q_or^2\hatr$ Dalam persamaan ini, k adalah pemalar elektrostatik dan vektor unit ke arah garis yang menyatukan Q dan Q dan Q dan Q_{Sama ada}adalah: $\hatr$

Menggantikan ungkapan ini dalam definisi medan, ia diperolehi:

$\mathbfE =\lim_q_o\rightarrow 0\frack\fracqq_or^2q_o\hatr=k\fracqr^2\hatr$ Sehingga bidang itu Dan, Dihasilkan oleh beban tepat q pada titik p, adalah:

$\mathbfE =\frackqr^2\hatr$ Oleh itu, Dan Ia tidak bergantung pada beban percubaan, tetapi pada beban yang menghasilkannya. The magnitud bidang ini berkadar terus dengan magnitud beban, dan berkadar songsang dengan kuadrat jarak antara beban dan titik p.

Dan seperti yang dinyatakan pada mulanya, alamat Dari medan itu radial dan arahnya keluar ke beban apabila ia positif, dan masuk apabila ia negatif.

Intensiti medan elektrik

Medan elektrik adalah vektor, dan keamatannya merujuk kepada modul atau magnitudnya, yang dilambangkan tanpa berani. Untuk beban tepat waktu, intensiti medan elektriknya hanya:

Boleh melayani anda: peleburan cetek: formula, pekali dan contoh

$E =\frackqr^2$ Dan kerana menjadi modul jumlah, ia sentiasa positif.

Contohnya, keamatan medan elektrik yang dihasilkan oleh beban q = - 4.3 μC (μC berbunyi "microcoulomb" dan bersamaan dengan jilbab coulomb), pada jarak 2 cm dari beban, ia adalah:

$E =\frac9\times 10^9\times 4.3\times 10^-6\left (2\times 10^-2 \right )^2\: \fracNC$

Perhatikan bahawa jarak 2 cm menjadi meter, mendarab dengan kuasa 10^-2, Oleh kerana pemalar elektrostatik berada dalam unit jika. Dan walaupun bebannya negatif, keamatan medan yang dihasilkannya selalu positif, tetapi vektor medan elektrik masuk ke beban, seperti yang dijelaskan sebelumnya.

Contoh medan elektrik

1. Medan elektrik pengagihan beban yang bijak

Satu set caj tertentu dipanggil Pengagihan beban diskret. Dalam kes itu, medan elektrik yang dihasilkan pada titik P dikira dengan menggunakan Prinsip Superposisi, yang merupakan vektor jumlah medan yang setiap beban dihasilkan dalam p:

Dan_jaring = Dan₁+ Dan₂+ Dan₃+…

Imej berikut menunjukkan pengedaran terdiri daripada lima beban tertentu dan medan elektrik yang masing -masing menghasilkan pada titik P:

Medan elektrik di titik P, disebabkan pengagihan beban yang bijak

Beban q₃ dan q₅ Mereka negatif dan bidang yang mereka hasilkan akan masuk kepada mereka. Mereka dibezakan dengan warna biru.
Bagi bahagiannya, beban q₁, q₂dan q₄Mereka positif, mewujudkan medan yang penting dalam warna merah.

2. Medan elektrik pengagihan beban berterusan

Pengagihan beban berterusan terdiri daripada objek yang dilanjutkan, dimuatkan secara elektrik, seperti yang ditunjukkan dalam angka berikut. Oleh kerana objek itu mempunyai dimensi yang ketara, medan yang sebahagian daripada badan menghasilkan dalam p jauh berbeza dari yang menghasilkan yang lain (atau paling dekat) p.

Boleh melayani anda: Undang -undang Kirchhoff

Katakan bahawa caj elektrik kecil objek tersebut diambil, dipanggil DQ dan sepatutnya positif, yang menghasilkan sumbangan kecil kepada jumlah medan elektrik. Sumbangan ini adalah perbezaan vektor medan elektrik dDan.

Oleh kerana beban DQ sangat kecil, medannya seperti beban tepat waktu, sehingga persamaan dapat digunakan sebelum dilihat:

$d\mathbfE=k\fracdqr^2\hatr$

Untuk mengira medan elektrik objek yang dilanjutkan, ia disepadukan di atas semua kelantangannya. Ketumpatan beban (beban per unit volum) dilambangkan sebagai ρ

Untuk mendapatkan medan jumlah objek pada titik P, sumbangan semua DQ yang boleh diambil pada objek ditambah. Ini membawa kepada integral:

$\mathbfE=\int_Volumen^k\fracdqr^2\hatr$

Latihan diselesaikan

Beban tepat q = 2.0 × 10^-8 C diletakkan pada titik P dalam medan elektrik, di mana ia mengalami daya menaik magnitud 4.0 × 10^-6 N. Kira:

a) medan elektrik di p

b) daya pada beban q = -1.0 × 10^-8 C terletak di p.

Penyelesaian kepada

Menjadi magnitud medan elektrik di mana beban diletakkan. Berdasarkan bidang ini, beban ini mengalami kekuatan magnitud F, sehingga:

F = q ∙ e

Jadi:

E = f /q = 4.0 × 10^-6 N/ 2.0 × 10^-8 C = 200 n/c.

Menjadi positif beban, daya dan bidang mempunyai arah dan makna yang sama.

Penyelesaian b

Besarnya kekuatan yang bertindak pada apa:

$F=\left |q \right | \cdot E=\left |-1.0\times 10^-8 \right | \cdot 200\: N=2.0\times 10^-6 \: N$

Apabila beban ini negatif, daya dan medan mempunyai arah yang sama, tetapi deria bertentangan.

Rujukan

Bauer, w. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 2. MC Graw Hill.
Medan dan potensi elektrik beban tepat waktu. Diperolehi dari: sc.Ehu.adalah.
Resnick, r. (1999). Fizikal. Vol. 1. Edisi ke -3. dalam bahasa Sepanyol. Syarikat Editorial Continental s.Ke. daripada c.V.
Sears, z. (2016). Fizik universiti dengan fizik moden. Ke -14. Ed. Jilid 1. Pearson.
Fizik Universiti. Medan elektrik. Vol. 2. Diperolehi dari: OpenStax.org.