خصائص المجال الكهربائي
تصف المقالة الخصائص الرئيسية للمجال الكهربائي: الجهد والجهد والشدة.
ما هو المجال الكهربائي
لإنشاء مجال كهربائي ، من الضروري إنشاء شحنة كهربائية. تختلف خصائص المساحة المحيطة بالشحنات (الأجسام المشحونة) عن خصائص المساحة التي لا توجد فيها رسوم. في الوقت نفسه ، لا تتغير خصائص الفضاء ، عند إدخال شحنة كهربائية فيه ، على الفور: يبدأ التغيير من الشحنة وينتشر بسرعة معينة من نقطة في الفضاء إلى أخرى.
في الفضاء الذي يحتوي على شحنة ، تتجلى القوى الميكانيكية التي تعمل على الشحنات الأخرى التي يتم إدخالها في ذلك الفضاء. هذه القوى ليست نتيجة الفعل المباشر لشحنة ما على أخرى ، ولكن نتيجة الفعل من خلال وسيط متغير نوعياً.
يُطلق على الفراغ حول الشحنات الكهربائية ، والذي تتجلى فيه القوى المؤثرة على الشحنات الكهربائية الواردة فيها ، اسم المجال الكهربائي.
تتحرك الشحنة في مجال كهربائي في اتجاه القوة المؤثرة عليها من جانب المجال.حالة الراحة من هذه الشحنة ممكنة فقط عندما يتم تطبيق بعض القوة الخارجية (الخارجية) على الشحنة التي توازن قوة المجال الكهربائي.
بمجرد اختلال التوازن بين القوة الخارجية وقوة المجال ، تبدأ الشحنة في التحرك مرة أخرى. يتزامن اتجاه حركتها دائمًا مع اتجاه القوة الأكبر.
من أجل الوضوح ، عادة ما يتم تمثيل المجال الكهربائي بما يسمى بخطوط المجال الكهربائي. تتوافق هذه الخطوط مع اتجاه القوى المؤثرة في المجال الكهربائي. في الوقت نفسه ، تم الاتفاق على رسم العديد من الخطوط بحيث يكون عددها لكل 1 سم 2 من المنطقة المثبتة بشكل عمودي على الخطوط متناسبًا مع شدة المجال عند النقطة المقابلة.
عادة ما يؤخذ اتجاه المجال على أنه اتجاه شدة المجال التي تعمل على شحنة موجبة موضوعة في مجال معين. يتم صد الشحنات الإيجابية بواسطة الشحنات الإيجابية وتنجذب إلى الشحنات السلبية. لذلك ، يتم توجيه المجال من الشحنات الموجبة إلى السالبة.
يشار إلى اتجاه خطوط القوة في الرسومات بواسطة الأسهم. لقد أثبت العلم أن خطوط القوة في المجال الكهربائي لها بداية ونهاية ، أي أنها ليست مغلقة من تلقاء نفسها. بناءً على الاتجاه المفترض للمجال ، نجد أن خطوط القوة تبدأ بشحنات موجبة (أجسام موجبة الشحنة) وتنتهي بشحنات سالبة.
أرز. 1. أمثلة على صورة مجال كهربائي باستخدام خطوط القوة: أ - مجال كهربائي بشحنة موجبة واحدة ، ب - مجال كهربائي بشحنة سالبة واحدة ، ج - مجال كهربائي لشحنتين متعاكستين ، د - أ مجال كهربائي لشحنتين متماثلتين
في التين.يوضح الشكل 1 أمثلة على مجال كهربائي تم تصويره باستخدام خطوط القوة. يجب أن نتذكر أن خطوط المجال الكهربائي ليست سوى طريقة لتمثيل الحقل بيانياً. لا يوجد مضمون أكبر لمفهوم خط القوة هنا.
قانون كولوم
تعتمد قوة التفاعل بين شحنتين على الحجم والترتيب المتبادل للشحنات ، وكذلك على الخصائص الفيزيائية لبيئتها.
بالنسبة لجسمين فيزيائيين مكهربين ، أبعادهما غير مهمة مقارنة بالمسافة بين الجسمين ، يتم تحديد شفاء التفاعل رياضيًا على النحو التالي:
حيث F هي قوة تفاعل الشحنات بالنيوتن (N) ، k - المسافة بين الشحنات بالأمتار (م) ، Q1 و Q2 - مقدار الشحنات الكهربائية في كولوم (k) ، k هو معامل التناسب ، قيمته يعتمد على خصائص الوسط المحيط بالشحنات.
تقرأ الصيغة أعلاه على النحو التالي: إن قوة التفاعل بين شحنتين نقطتين تتناسب طرديًا مع ناتج مقادير هذه الشحنات وتتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما (قانون كولوم).
لتحديد عامل التناسب ك ، استخدم التعبير ك = 1 / (4πεεО).
جهد المجال الكهربائي
ينقل المجال الكهربائي دائمًا الحركة إلى الشحنة إذا كانت قوى المجال المؤثرة على الشحنة غير متوازنة بأي قوى خارجية. هذا يعني أن المجال الكهربائي لديه طاقة كامنة ، أي القدرة على القيام بالعمل.
عن طريق تحريك شحنة من نقطة في الفضاء إلى أخرى ، يعمل المجال الكهربائي ، ونتيجة لذلك ينخفض إمداد المجال بالطاقة الكامنة.إذا تحركت شحنة في مجال كهربائي تحت تأثير بعض القوى الخارجية التي تعمل عكس قوى المجال ، فإن الشغل لا يتم بواسطة قوى المجال الكهربائي ، ولكن بواسطة قوى خارجية. في هذه الحالة ، لا تتناقص الطاقة الكامنة للمجال فحسب ، بل تزيد أيضًا.
الشغل الذي تقوم به قوة خارجية تحرك شحنة في مجال كهربائي يتناسب طرديًا مع حجم قوى المجال التي تعارض هذه الحركة. يتم إنفاق العمل الذي تقوم به القوى الخارجية بالكامل في هذه الحالة على زيادة الطاقة الكامنة للحقل. لوصف المجال من جانب طاقته الكامنة ، تسمى كمية تسمى جهد المجال الكهربائي.
جوهر هذه الكمية على النحو التالي. افترض أن الشحنة الموجبة تقع خارج المجال الكهربائي قيد الدراسة. هذا يعني أن المجال ليس له أي تأثير عمليًا على الشحنة المعطاة. دع قوة خارجية تدخل هذه الشحنة في المجال الكهربائي ، وتتغلب على مقاومة الحركة التي تمارسها قوى المجال ، وتحرك الشحنة إلى نقطة معينة في المجال. يعتمد الشغل الذي تقوم به القوة ، وبالتالي مقدار زيادة الطاقة الكامنة للحقل ، كليًا على خصائص المجال. لذلك ، يمكن لهذا العمل أن يميز طاقة مجال كهربائي معين.
تسمى طاقة المجال الكهربائي المرتبطة بوحدة من الشحنة الموجبة الموضوعة في نقطة معينة في المجال بإمكانية المجال عند نقطة معينة.
إذا تم الإشارة إلى الإمكانات بالحرف φ ، والشحنة بالحرف q والعمل الذي تم إنفاقه على تحريك الشحنة بواسطة W ، فسيتم التعبير عن إمكانات المجال عند نقطة معينة بواسطة الصيغة φ = W / q.
ويترتب على ذلك أن المجال الكهربي عند نقطة معينة يساوي عدديًا الشغل الذي تقوم به قوة خارجية عندما تتحرك وحدة شحنة موجبة خارج المجال باتجاه نقطة معينة. يتم قياس جهد المجال بالفولت (V). إذا كانت القوى الخارجية قد أنجزت عملًا يساوي جول واحد أثناء نقل كولوم واحد من الكهرباء خارج الحقل إلى نقطة معينة ، فإن الإمكانات عند نقطة معينة في الحقل تساوي فولتًا واحدًا: 1 فولت = 1 جول / 1 كولوم
شدة المجال الكهربائي
في أي مجال كهربائي ، تنتقل الشحنات الموجبة من نقاط ذات جهد أعلى إلى نقاط ذات جهد أقل. على العكس من ذلك ، تنتقل الشحنات السالبة من النقاط ذات الإمكانات المنخفضة إلى النقاط ذات الإمكانات الأعلى. في كلتا الحالتين ، يتم العمل على حساب الطاقة الكامنة للمجال الكهربائي.
إذا علمنا هذا العمل ، أي مقدار انخفاض الطاقة الكامنة للمجال عندما تتحرك الشحنة الموجبة q من النقطة 1 من الحقل إلى النقطة 2 ، فمن السهل إيجاد الجهد بين هذه النقاط من الحقل U1،2:
U1،2 = A / q،
حيث A هو الشغل الذي تقوم به قوى المجال عند نقل الشحنة q من النقطة 1 إلى النقطة 2. الجهد بين نقطتين في المجال الكهربائي يساوي عدديًا الشغل المبذول بواسطة صفر لنقل وحدة شحنة موجبة من نقطة واحدة في الميدان إلى آخر.
كما يمكن رؤيته ، فإن الجهد بين نقطتين من المجال وفرق الجهد بين نفس النقاط يمثلان نفس الوحدة المادية ... لذلك ، فإن مصطلحات الجهد وفرق الجهد متماثلان. يقاس الجهد بالفولت (V).
الجهد بين نقطتين يساوي فولتًا واحدًا ، عند نقل كولوم واحد من الكهرباء من نقطة في الحقل إلى نقطة أخرى ، تعمل القوى الميدانية مساوية لجول واحد: 1 فولت = 1 جول / 1 كولوم
شدة المجال الكهربائي
ويترتب على قانون كولوم أن شدة المجال الكهربائي لشحنة معينة تعمل على شحنة أخرى موضوعة في هذا المجال ليست هي نفسها في جميع نقاط المجال. يمكن تمييز المجال الكهربائي في أي نقطة بحجم القوة التي يعمل بها على وحدة شحنة موجبة موضوعة في نقطة معينة.
بمعرفة هذه القيمة ، يمكن تحديد القوة F المؤثرة على كل شحنة Q. يمكنك كتابة ذلك F = Q x E ، حيث F هي القوة المؤثرة على الشحنة Q الموضوعة عند نقطة في المجال بواسطة المجال الكهربائي ، E هي القوة المؤثرة على وحدة شحنة موجبة موضوعة في نفس النقطة في المجال. الكمية E التي تساوي عدديًا القوة التي تتعرض لها وحدة الشحنة الموجبة عند نقطة معينة في المجال تسمى شدة المجال الكهربائي.