שדה חשמלי נקרא חומר, המבטיח את האינטראקציה של מטענים חשמליים בו. זה יכול להיווצר הן על ידי מטען חשמלי והן על ידי שטף מגנטי משתנה. במקרה הראשון, זה נקרא אלקטרוסטטי, בשני - מערבולת. ללא שדה זה לא יכול להיווצר זרם חשמלי, אך כדי לדעת כיצד הוא נוצר, יש להכיר את המאפיינים הבסיסיים של השדה החשמלי.
תוֹכֶן
- אופי התופעה
-
תכונות עיקריות
- עוצמת השדה
- פוטנציאלים והשוני ביניהם
- אינדוקציה חשמלית
- שדה סטטי ומערבולת
אופי התופעה
אי אפשר לראות את השדה החשמלי בעיניים: ניתן לזהות אותו על ידי פעולתו על גופים טעונים. במקרה זה, השפעה כזו אינה דורשת מגע ישיר של הנשאים הפוטנציאליים, אלא יש לה אופי כוח. כך, שיער מחושמל יימשך לעבר חפצים אחרים.
התבוננות בשדות חשמליים מראה שהם פועלים באופן דומה לשדות הכבידה. זה מתואר על ידי חוק קולומב, שבאופן כללי נראה כך:
F = q₁ q₂ / 4 π ε ε₀ r ²,
כאשר q₁ ו-q₂ הם ערכי המטענים בקולומבים, ε הוא הקבוע הדיאלקטרי של המדיום, ε₀ הוא הקבוע החשמלי, שווה ל-8.854 * 10⁻¹² F / m, r הוא המרחק בין המטענים במטרים, ו-F הוא הכוח שבו המטענים מתקשרים, ב ניוטון.
לפיכך, ככל שיותר רחוק מהמרכז, כך תורגש פחות השפעת השדה.
ניתן להציג את השדה בצורה גרפית בצורה של קווי כוח. מיקומם יהיה תלוי בגיאומטריה של המדיה.
ישנם שני סוגים של שדות:- הומוגנית כאשר קווי הכוח מקבילים זה לזה. המקרה האידיאלי הוא לוחות טעונים מקבילים אינסופיים.
- Inhomogeneous, מקרה מיוחד שלו הוא השדה סביב נקודה או מטען כדורי; קווי הכוח שלו מתפצלים באופן רדיאלי מהמרכז אם הוא חיובי, ולמרכז אם הוא שלילי.
קווי הכוח של השדה החשמלי המושרה מהמטען החשמלי אינם סגורים. הם סגורים רק בשדה המערבולת, שנוצר סביב השטף המגנטי המשתנה.
אלו הן התכונות הבסיסיות של שדה חשמלי. כדי להכיר את המאפיינים שלה, כדאי לשקול את האפשרות הפשוטה ביותר - אלקטרוסטטית, שנוצרת על ידי מטענים קבועים ונייחים. מטעמי נוחות, הם יהיו נקודתיים כך שקווי המתאר שלהם לא יסבכו את החישובים. גם מטען הבדיקה שיופיע בעתיד יהיה נקודתי וקטן לאין ערוך.
תכונות עיקריות
ניתן לתאר אותם באמצעות דפוסים מתמטיים, וחלקם ניתנים לביטוי גרפי. המאפיינים האחרונים הם וקטוריים, כלומר יש להם כיוון. זה חשוב, שכן בפתרון בעיות מעשיות יש צורך לעתים קרובות לפעול לא עם גודל הגודל, אלא עם הקרנה של הווקטור על ציר נבחר כלשהו.
הפרמטרים העיקריים של התחום הם:
- מתח;
- פוטנציאל;
- הַשׁרָאָה.
עוצמת השדה
זהו החוזק המאפיין את השדה החשמלי. הכמות היא וקטורית, והיא מאפיינת את הכוח שבו פועל השדה על המטען בנקודה מסוימת. מבחינה מתמטית, זה מתבטא באופן הבא:
Ē = F̄ / q.
אם נחליף כאן את הנוסחה לחוק קולומב, נקבל:
Ē = q₀ / 4 π ε ε₀ r ².
כך, בכל נקודה של השדה, עוצמתו שונה, והיא תלויה במטען שהוא יוצר, בתנאי הסביבה ובערך ביחס הפוך לריבוע המרחק לנקודה.
אם השדה נוצר על ידי שני מטענים, אזי החוזק המתקבל מחושב בצורה גרפית - על ידי הוספת וקטורי החוזק מכל מקור בודד. שיטה זו נקראת עקרון הסופרפוזיציה.
פוטנציאלים והשוני ביניהם
שדה חשמלי מסוגל לעשות עבודה. אם חיוב הבדיקה מועבר בשטח, אז העבודה מתבצעת במייל. שדה, יהיה תלוי במרחק הראשוני והסופי מטעינת הבדיקה למרכז האימייל. שדות. אפשר להשוות זאת לאדם שעומד לקפוץ מגג. בזמן שהוא בגובה הקומה העשירית, האנרגיה הפוטנציאלית שלו תהיה שווה ל:
W = -GMm / Rr.
או אם ניקח בחשבון את המידתיות של אדמה ואדם:
W = mgh.
עד שאדם קפץ, יש לו אנרגיה פוטנציאלית. כאשר הוא סוף סוף נופל, שדה הכבידה יעשה עבודה, שווה מספרית לערך הנ"ל. זה לא לוקח בחשבון תנועה אופקית - עבודה זו נעשתה על ידי המנוח עצמו.
שדה חשמלי פועל בצורה דומה. למטען הבדיקה q₁, המוצב בו, יש אנרגיה פוטנציאלית:
W = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r.
בעת מעבר לנקודה אחרת, כאשר המרחק r שונה, השדה יבצע עבודה שווה ל:
A = W₁ - W₂ = q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₁ - q₁ q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
אם נבחר פרמטר משני המונחים שמתייחס ישירות לשדה, ולא לחיוב הבדיקה, זה ייראה כך:
φ₁ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₁; φ₂ = q₀ / 4 π ε ε₀ r₂.
וה-φ הזה נקרא פוטנציאל השדה בנקודה. בהתבסס על כל הנוסחאות שנכתבו לעיל, אתה יכול לבטא ערך זה באופן הבא:
φ ₁ = W₁ / q₁; φ₂ = W₂ / q₁.
לפיכך, העבודה שהתחום יעשה תתבטא כך:
A = W₁ - W₂ = φ₁ q₁ - φ₂ q₁ = q₁ (φ₁ - φ₂).
הביטוי בסוגריים ייקרא הפרש הפוטנציאלים, או המתח. זה מראה איזה סוג של עבודה יעשה השדה כדי להעביר את מטען הבדיקה.
A / q = (φ₁ - φ₂).
היחידה של ערך זה, J / Kl, נקראה וולט, לכבודו של המדען אלסנדרו וולטה. הממד של כמויות אחרות באלקטרוסטטיקה ובאלקטרודינמיקה נמדד מיחידה זו. לדוגמה, עוצמת השדה נמדדת ב-V/m.
אינדוקציה חשמלית
ערך זה מאפיין את השדה החשמלי, כמו שאומרים, בצורתו הטהורה. במציאות, אנו עוסקים בתחום במדיות שונות עם קבוע דיאלקטרי מסוים. למרות העובדה שלרוב החומרים זהו ערך טבלאי, במקרים מסוימים הוא לא יציב ותלותו בפרמטרים סביבתיים (טמפרטורה, לחות וכו'). ) אינו ליניארי.
תופעה זו אופיינית למלח רושל, בריום טיטנאט, ליתיום ניובט ועוד מספר אחרים.
אינדוקציה חשמלית נמדדת ב-C/m2, וערכה מבוטא בנוסחה:
D = ε ε₀ E.
זוהי גם כמות וקטורית, שכיוונה עולה בקנה אחד עם כיוון המתח.
שדה סטטי ומערבולת
כפי שהוזכר בתחילת מאמר זה, שדה חשמלי יכול להתרחש סביב שדה מגנטי מתחלף. זה אפילו יוצר זרם, שניתן להשיג בשתי דרכים:
- שינוי בעוצמת השדה המגנטי העובר דרך קו המתאר של המוליך שבו;
- על ידי שינוי מיקום המנצח עצמו.
במקרה זה, המוליך אינו חייב להיות סגור כלל - הזרם עדיין יזרום בו.
כדי להמחיש את ההבדלים בין שדות סטטיים למערבולת, ניתן לערוך טבלה.
| פָּרָמֶטֶר | אלקטרוסטטי | מְעַרבּוֹלֶת |
| צורת קו שדה | לִפְתוֹחַ | סָגוּר |
| מה נוצר | טעינה נייחת | שטף מגנטי משתנה |
| מקור למתח | לחייב | נֶעדָר |
| עבודת תנועה בלולאה סגורה | אֶפֶס | יוצר EMF של אינדוקציה |
זה לא אומר שהשדה הראשון והשני אינם מחוברים בשום צורה. זה לא נכון. במציאות, התבנית הבאה פועלת: מטען נייח יוצר שדה אלקטרוסטטי המניע את המטען במוליך; מטען נע יוצר שדה מגנטי קבוע. אם המטען נע במהירות ובכיוון משתנים, אז השדה המגנטי הופך למשתנה ויוצר שדה חשמלי משני. לפיכך, השדה החשמלי ומאפייניו משפיעים על אפשרות התרחשות שדה מגנטי ועל הפרמטרים שלו.
