ลักษณะสนามไฟฟ้า

บทความนี้จะอธิบายลักษณะสำคัญของสนามไฟฟ้า: ศักย์ไฟฟ้า แรงดัน และความเข้ม

สนามไฟฟ้าคืออะไร

ในการสร้างสนามไฟฟ้า จำเป็นต้องสร้างประจุไฟฟ้า คุณสมบัติของช่องว่างรอบ ๆ ประจุ (วัตถุที่มีประจุ) แตกต่างจากคุณสมบัติของช่องว่างที่ไม่มีประจุ ในขณะเดียวกัน คุณสมบัติของอวกาศ เมื่อมีประจุไฟฟ้าเข้ามา จะไม่เปลี่ยนแปลงในทันที: การเปลี่ยนแปลงเริ่มต้นจากประจุและกระจายด้วยความเร็วที่แน่นอนจากจุดหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง

ในพื้นที่ที่มีประจุไฟฟ้า แรงทางกลที่กระทำต่อประจุอื่นๆ จะถูกนำเข้าสู่อวกาศนั้น แรงเหล่านี้ไม่ได้เป็นผลมาจากการกระทำโดยตรงของประจุหนึ่งต่ออีกประจุหนึ่ง แต่เป็นการกระทำผ่านตัวกลางที่มีการเปลี่ยนแปลงเชิงคุณภาพ

พื้นที่รอบ ๆ ประจุไฟฟ้าซึ่งแสดงแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าที่นำเข้าเรียกว่าสนามไฟฟ้า

ประจุไฟฟ้าในสนามไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปในทิศทางของแรงที่กระทำต่อประจุไฟฟ้าจากด้านข้างของสนามสถานะที่เหลือของประจุดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีแรงภายนอก (ภายนอก) บางอย่างมากระทำกับประจุที่สมดุลกับความแรงของสนามไฟฟ้า

ทันทีที่ความสมดุลระหว่างแรงภายนอกและความแรงของสนามถูกรบกวน ประจุจะเริ่มเคลื่อนที่อีกครั้ง ทิศทางของการเคลื่อนที่นั้นสอดคล้องกับทิศทางของแรงที่มากกว่าเสมอ

เพื่อความชัดเจน สนามไฟฟ้ามักจะแทนด้วยสิ่งที่เรียกว่าเส้นสนามไฟฟ้า เส้นเหล่านี้ตรงกับทิศทางของแรงที่กระทำในสนามไฟฟ้า ในเวลาเดียวกัน มีการตกลงที่จะวาดเส้นจำนวนมากเพื่อให้จำนวนของพวกเขาสำหรับทุก ๆ 1 cm2 ของพื้นที่ที่ติดตั้งตั้งฉากกับเส้นเป็นสัดส่วนกับความแข็งแรงของสนาม ณ จุดที่สอดคล้องกัน

โดยปกติแล้วทิศทางของสนามจะเป็นทิศทางของความแรงของสนามที่กระทำต่อประจุบวกที่อยู่ในสนามที่กำหนด ประจุบวกจะถูกประจุบวกผลักและดึงดูดประจุลบ ดังนั้นสนามจะถูกกำกับจากประจุบวกถึงประจุลบ

ทิศทางของเส้นแรงระบุไว้ในภาพวาดด้วยลูกศร วิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่าเส้นแรงของสนามไฟฟ้ามีจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุด กล่าวคือ พวกมันไม่ได้ปิดด้วยตัวมันเอง จากทิศทางสมมติของสนาม เราพบว่าเส้นแรงเริ่มต้นด้วยประจุบวก (วัตถุที่มีประจุบวก) และสิ้นสุดด้วยประจุลบ

ข้าว. 1. ตัวอย่างภาพสนามไฟฟ้าโดยใช้เส้นแรง: a — สนามไฟฟ้าที่มีประจุบวกหนึ่งประจุ b — สนามไฟฟ้าที่มีประจุลบหนึ่งประจุ c — สนามไฟฟ้าของประจุตรงข้ามสองประจุ ง — an สนามไฟฟ้าของสองประจุที่เหมือนกัน

ในรูป1 แสดงตัวอย่างสนามไฟฟ้าโดยใช้เส้นแรง ต้องจำไว้ว่าเส้นสนามไฟฟ้าเป็นเพียงวิธีการแสดงกราฟิกของสนามเท่านั้น ไม่มีสาระสำคัญใดที่จะยิ่งใหญ่ไปกว่าแนวคิดของเส้นแรงที่นี่

กฎของคูลอมบ์

ความแรงของอันตรกิริยาระหว่างสองประจุขึ้นอยู่กับขนาดและการจัดเรียงร่วมกันของประจุ เช่นเดียวกับคุณสมบัติทางกายภาพของสภาพแวดล้อม

สำหรับวัตถุทางกายภาพที่ถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้าสองชิ้น ขนาดที่ไม่มีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับระยะห่างระหว่างวัตถุ การรักษาปฏิสัมพันธ์จะพิจารณาทางคณิตศาสตร์ดังนี้:

โดยที่ F คือแรงปฏิสัมพันธ์ของประจุในหน่วยนิวตัน (N), k — ระยะห่างระหว่างประจุในหน่วยเมตร (m), Q1 และ Q2 — ขนาดของประจุไฟฟ้าในคูลอมบ์ (k), k คือสัมประสิทธิ์สัดส่วน ซึ่งค่าของ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางที่อยู่รอบๆ ประจุ

สูตรข้างต้นอ่านได้ดังนี้ แรงอันตรกิริยาระหว่างประจุสองจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับผลคูณของขนาดของประจุเหล่านี้ และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง (กฎของคูลอมบ์)

ในการกำหนดปัจจัยสัดส่วน k ให้ใช้นิพจน์ k = 1 /(4πεεО)

ศักย์ไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าจะให้การเคลื่อนที่แก่ประจุเสมอ ถ้าแรงสนามที่กระทำต่อประจุไม่สมดุลกับแรงภายนอกใดๆ นี่หมายความว่าสนามไฟฟ้ามีพลังงานศักย์ นั่นคือ ความสามารถในการทำงาน

โดยการย้ายประจุจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง สนามไฟฟ้าจะทำงาน ซึ่งเป็นผลมาจากการที่พลังงานศักย์เข้าสู่สนามลดลงถ้าประจุเคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้าภายใต้การกระทำของแรงภายนอกบางอย่างที่กระทำตรงข้ามกับแรงสนาม ดังนั้นงานจะไม่สำเร็จโดยแรงสนามไฟฟ้า แต่เกิดจากแรงภายนอก ในกรณีนี้ พลังงานศักย์ของสนามไม่เพียงแต่ไม่ลดลงเท่านั้น แต่ยังเพิ่มขึ้นอีกด้วย

งานที่ทำโดยแรงภายนอกที่เคลื่อนประจุในสนามไฟฟ้าจะเป็นสัดส่วนกับขนาดของแรงสนามที่ต้านการเคลื่อนที่นั้น งานที่ทำในกรณีนี้โดยแรงภายนอกนั้นใช้ไปทั้งหมดเพื่อเพิ่มพลังงานศักย์ของสนาม ในการระบุลักษณะของสนามจากด้านข้างของพลังงานศักย์นั้น จะเรียกปริมาณที่เรียกว่าศักย์สนามไฟฟ้า

สาระสำคัญของปริมาณนี้มีดังต่อไปนี้ สมมติว่าประจุบวกอยู่นอกสนามไฟฟ้าที่กำลังพิจารณา ซึ่งหมายความว่าสนามจริงไม่มีผลกระทบต่อประจุที่กำหนด ปล่อยให้แรงภายนอกนำประจุนี้เข้าสู่สนามไฟฟ้า และเอาชนะแรงต้านทานต่อการเคลื่อนที่ที่กระทำโดยแรงสนาม เคลื่อนประจุไปยังจุดที่กำหนดในสนาม งานที่ทำโดยแรง และด้วยเหตุนี้ปริมาณที่พลังงานศักย์ของสนามเพิ่มขึ้นจึงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสนามทั้งหมด ดังนั้นงานนี้สามารถระบุลักษณะพลังงานของสนามไฟฟ้าที่กำหนดได้

พลังงานสนามไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับหน่วยของประจุบวกที่วาง ณ จุดที่กำหนดในสนามเรียกว่าศักย์ไฟฟ้า ณ จุดที่กำหนด

หากศักยภาพแสดงด้วยตัวอักษร φ ประจุด้วยตัวอักษร q และงานที่ใช้ในการเคลื่อนย้ายประจุด้วย W ดังนั้นศักย์ของสนาม ณ จุดที่กำหนดจะแสดงโดยสูตร φ = W / q

ศักย์ไฟฟ้าของสนามไฟฟ้าที่จุดหนึ่งๆ มีค่าเท่ากับงานของแรงภายนอกเมื่อประจุบวกหนึ่งหน่วยเคลื่อนที่ออกจากสนามไปยังจุดที่กำหนด ศักยภาพของสนามวัดเป็นโวลต์ (V) หากระหว่างการถ่ายโอนไฟฟ้าหนึ่งคูลอมบ์นอกสนามไปยังจุดที่กำหนด แรงภายนอกทำงานเท่ากับหนึ่งจูล ดังนั้นศักยภาพที่จุดที่กำหนดในสนามจะเท่ากับหนึ่งโวลต์: 1 โวลต์ = 1 จูล / 1 คูลอมบ์

ความแรงของสนามไฟฟ้า

ในสนามไฟฟ้าใดๆ ประจุบวกจะเคลื่อนที่จากจุดที่มีศักย์สูงกว่าไปยังจุดที่มีศักย์ต่ำกว่า ในทางตรงกันข้าม ประจุลบจะเคลื่อนที่จากจุดที่มีศักยภาพต่ำกว่าไปยังจุดที่มีศักยภาพสูงกว่า ในทั้งสองกรณี งานจะกระทำโดยใช้พลังงานศักย์ของสนามไฟฟ้า

หากเราทราบงานนี้ นั่นคือปริมาณที่พลังงานศักย์ของสนามลดลงเมื่อประจุบวก q เคลื่อนจากจุดที่ 1 ของสนามไปยังจุดที่ 2 ก็จะเป็นเรื่องง่ายที่จะหาแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดเหล่านี้ของสนาม สนาม U1,2:

U1,2 = A / คิว

โดยที่ A คืองานที่กระทำโดยแรงสนามเมื่อประจุ q ถูกถ่ายโอนจากจุดที่ 1 ไปยังจุดที่ 2 แรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดในสนามไฟฟ้าจะเท่ากับตัวเลขของงานที่ทำโดยศูนย์เพื่อถ่ายโอนประจุบวกหนึ่งหน่วยจากจุดหนึ่ง ในสนามไปอีก

อย่างที่คุณเห็น แรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดของสนามและความต่างศักย์ระหว่างจุดเดียวกันแสดงถึงหน่วยทางกายภาพเดียวกัน… ดังนั้น คำว่าแรงดันและความต่างศักย์จึงเหมือนกัน แรงดันไฟฟ้าวัดเป็นโวลต์ (V)

แรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดเท่ากับหนึ่งโวลต์ ถ้าเมื่อถ่ายโอนประจุไฟฟ้าหนึ่งคูลอมบ์จากจุดหนึ่งของสนามไปยังอีกจุดหนึ่ง แรงภาคสนามจะทำงานเท่ากับหนึ่งจูล: 1 โวลต์ = 1 จูล / 1 คูลอมบ์

ความแรงของสนามไฟฟ้า

เป็นไปตามกฎของคูลอมบ์ที่ว่าความแรงของสนามไฟฟ้าของประจุหนึ่งๆ ที่กระทำกับประจุอื่นที่อยู่ในสนามนี้ไม่เท่ากันในทุกจุดของสนาม สนามไฟฟ้า ณ จุดใด ๆ สามารถระบุได้ด้วยขนาดของแรงที่กระทำต่อหน่วยประจุบวกที่วาง ณ จุดที่กำหนด

เมื่อทราบค่านี้ แรง F ที่กระทำต่อประจุ Q แต่ละก้อนสามารถกำหนดได้ คุณสามารถเขียนว่า F = Q x E โดยที่ F คือแรงที่กระทำต่อประจุ Q ที่จุดในสนามโดยสนามไฟฟ้า E คือ แรงที่กระทำต่อประจุบวกหนึ่งหน่วยที่วางอยู่ที่จุดเดียวกันในสนาม ปริมาณ E ในทางตัวเลขเท่ากับแรงที่ประจุบวกหนึ่งหน่วยได้รับ ณ จุดที่กำหนดในสนามเรียกว่า ความแรงของสนามไฟฟ้า