Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Pole elektryczne to przestrzeń, w której na naładowane ciała działa siła elektryczna. Siła pola elektrycznego pozwala nam przewidzieć, jak silna będzie ta siła. Ale czy potrafisz narysować pole elektryczne? A przynajmniej sobie to wyobraź?
Pole elektryczne jest trudne do wyobrażenia. Na ładunek próbny umieszczony w danym punkcie przestrzeni działa pewna siła. W innym punkcie przestrzeni inna siła działa na ten sam ładunek elektryczny: z inną wielkością i w innym kierunku. W każdym punkcie pola elektrycznego – a takich punktów jest nieskończenie wiele – działa jakaś siła.
A jednak mówimy, że pole istnieje, nawet jeśli nie ma ładunku elektrycznego, na który działają siły. Nieskończona ilość sił, których jeszcze nie ma, ale które pojawią się, gdy pojawi się ładunek elektryczny - to nie jest coś, co łatwo pojąć wyobraźnią (ryc. 1.). Wprowadzenie pojęcia natężenia pola, które mówi, jaka siła działa nie na dowolny ładunek elektryczny, ale na pojedynczy ładunek dodatni, niewiele pomaga.
Ryż. 1. Nieskończona liczba sił elektrycznych. Nie wygląda to zbyt dobrze Istnieje jednak elegancki sposób graficznego przedstawienia pola elektrycznego. Oczywiście nie jest doskonały i nie pokazuje wszystkich aspektów pola elektrycznego. Ale jest prosty i przemawiający do wyobraźni, a także wszechstronny. Może służyć do wizualizacji nie tylko pola elektrycznego, ale także pola magnetycznego, pola grawitacyjnego i dowolnego innego pola wektorowego. Mówimy o liniach pola (Rys. 2.).
Ryż. 2. Możemy łatwo wyobrazić sobie linie pola elektrycznego
Co to są linie pola elektrycznego? Są to linie, które pokazują, w jakim kierunku siła elektryczna działa w danym punkcie pola na umieszczony tam ładunek elektryczny, a ponadto dają wyobrażenie o wielkości tej siły.
Oto cechy charakterystyczne linii pola elektrycznego:
- Linie pola elektrycznego są rysowane w taki sposób, że wektor siły działającej na ładunek elektryczny umieszczony w polu jest zawsze skierowany do nich stycznie.
- Linie pola elektrycznego są skierowane (Rys. 3.), czyli mają wyraźny charakter. Kierunek ten odpowiada kierunkowi siły działającej na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w polu. Ładunek (rzeczywisty lub urojony), którego używamy do określenia kierunku linii pola elektrycznego, nazywany jest ładunkiem testowym. Zauważ, że zakłada się, że jest to ładunek dodatni.Siła działająca na ładunek ujemny będzie miała zwrot przeciwny do linii pola elektrycznego.
- Linie pola elektrycznego rysowane są tym gęstsze, im większe jest natężenie pola w danym obszarze.
- Ładunek dodatni będzie poruszał się wzdłuż linii pola, jeśli umieścimy go w danym punkcie i nie nadajemy mu żadnej prędkości.
Ryż. 3. Czarne linie to linie pola elektrycznego. Pomarańczowe strzałki przedstawiają wektory natężenia pola elektrycznego (siła działająca na jednostkowy ładunek dodatni) w różnych punktach. Zauważ, że w każdym punkcie siła jest styczna do linii pola.
Linie pola elektrycznego można sobie wyobrazić w trzech wymiarach, na przykład rozciągające się we wszystkich kierunkach od naładowanej elektrycznie kuli (ryc. 4.).
Ryż. 4. Linie pola elektrycznego w trzech wymiarach
Jednak najczęściej linie pola elektrycznego widzimy na płaszczyźnie: kartce papieru, ekranie monitora. Należy zawsze pamiętać, że pole elektryczne rozciąga się we wszystkich trzech wymiarach, a przekrój lub rzut w dwóch wymiarach to uproszczenie, którego używamy, aby ułatwić graficzną reprezentację.
Innym uproszczeniem jest to, że linie pola nie pokrywają całej przestrzeni lub płaszczyzny rysunku. Jednak moc jest obecna wszędzie, także w przerwach między narysowanymi liniami! Linie pola są narysowane wystarczająco gęsto, aby dać wyobrażenie o kierunku sił pola w każdym punkcie; jednak gdyby były narysowane zbyt ciasno, przyciemniłoby to rysunek.
Kolejnym ważnym faktem dotyczącym linii pola elektrycznego, wynikającym z praw elektryczności i magnetyzmu, jest to, że dopóki ładunki elektryczne tworzące pole elektryczne są nieruchome (mówimy wtedy o polu elektrostatycznym), linie pola nigdy nie tworzą obwodów zamkniętych; nigdzie się nie kończą ani nie zaczynają – linie pola elektrycznego zawsze zaczynają się dodatnim ładunkiem elektrycznym, a kończą ujemnym ładunkiem elektrycznym (ryc.5).
Ryż. 5. Linie pola elektrostatycznego zawsze „zostawiają” ładunek dodatni i „wchodzą” w ładunek ujemny. Nigdy nie kończą się ani nie zaczynają w pustej przestrzeni.
Zobaczmy jak linie pola wyglądają w praktyce na przykładzie pola wokół dodatniego ładunku punktowego.
Przykład
Zilustruj pole elektryczne wokół dodatniego ładunku punktowego za pomocą linii pola elektrycznego.
Rozwiązanie:
Zacznijmy od wyznaczenia ładunku punktowego, który jest źródłem pola. Prawo Coulomba mówi, że siła oddziaływania elektrostatycznego między dwoma punktowymi ładunkami elektrycznymi jest zawsze skierowana wzdłuż linii prostej łączącej ładunki elektryczne. Dlatego, aby linie pola elektrycznego były styczne do wektora siły w każdym punkcie, muszą być liniami prostymi wychodzącymi ze źródła ładunku elektrycznego (ryc.6.).
Ryż. 6. Linie proste wychodzące ze źródła ładunku elektrycznego
Ponieważ mamy do czynienia z ładunkiem dodatnim, siła działająca na dodatni testowy ładunek elektryczny umieszczony w badanym polu elektrycznym będzie siłą odpychającą. Linie pola są więc skierowane „na zewnątrz” (ryc. 7.):
Ryż. 7. Linie pola elektrycznego są skierowane na zewnątrz
Zauważ, że narysowane linie pola elektrycznego są bardziej skoncentrowane bliżej ładunku punktowego (kwadrat „a”), który jest ich źródłem. Ponieważ interpretujemy „gęstość” linii jako wartość natężenia pola, daje to nam intuicję, że pole wokół ładunku punktowego słabnie (kwadrat „b”) w miarę oddalania się od tego ładunku elektrycznego (w przypadku linie pola narysowane w płaszczyźnie, jednak „gęstość” linii nie jest matematycznie dokładną miarą natężenia pola).