Eigenschaften des elektrischen Feldes

Der Artikel beschreibt die Haupteigenschaften des elektrischen Feldes: Potenzial, Spannung und Intensität.

Was ist ein elektrisches Feld?

Um ein elektrisches Feld zu erzeugen, muss eine elektrische Ladung erzeugt werden. Die Eigenschaften des Raumes um die Ladungen (geladene Körper) unterscheiden sich von den Eigenschaften des Raumes, in dem sich keine Ladungen befinden. Gleichzeitig ändern sich die Eigenschaften des Raums nicht sofort, wenn eine elektrische Ladung in ihn eingebracht wird: Die Änderung beginnt bei der Ladung und breitet sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit von einem Punkt im Raum zum anderen aus.

In einem Raum, der eine Ladung enthält, wirken mechanische Kräfte auf andere in diesen Raum eingeführte Ladungen. Diese Kräfte sind nicht das Ergebnis der direkten Einwirkung einer Ladung auf eine andere, sondern der Einwirkung durch ein qualitativ verändertes Medium.

Der Raum um elektrische Ladungen, in dem sich die Kräfte manifestieren, die auf die eingebrachten elektrischen Ladungen einwirken, wird als elektrisches Feld bezeichnet.

Eine Ladung in einem elektrischen Feld bewegt sich in Richtung der Kraft, die von der Seite des Feldes auf sie einwirkt.Der Ruhezustand einer solchen Ladung ist nur möglich, wenn eine äußere (äußere) Kraft auf die Ladung ausgeübt wird, die die Stärke des elektrischen Feldes ausgleicht.

Sobald das Gleichgewicht zwischen äußerer Kraft und Feldstärke gestört ist, setzt sich die Ladung wieder in Bewegung. Die Richtung seiner Bewegung stimmt immer mit der Richtung der größeren Kraft überein.

Der Übersichtlichkeit halber wird das elektrische Feld üblicherweise durch sogenannte elektrische Feldlinien dargestellt. Diese Linien stimmen mit der Richtung der im elektrischen Feld wirkenden Kräfte überein. Gleichzeitig wurde vereinbart, so viele Linien zu zeichnen, dass ihre Anzahl pro 1 cm2 der senkrecht zu den Linien installierten Fläche proportional zur Feldstärke am entsprechenden Punkt war.

Unter Feldrichtung versteht man üblicherweise die Richtung der Feldstärke, die auf eine positive Ladung in einem bestimmten Feld wirkt. Positive Ladungen werden von positiven Ladungen abgestoßen und von negativen Ladungen angezogen. Daher ist das Feld von positiven zu negativen Ladungen gerichtet.

Die Richtung der Kraftlinien ist in den Zeichnungen durch Pfeile gekennzeichnet. Die Wissenschaft hat bewiesen, dass die Kraftlinien eines elektrischen Feldes einen Anfang und ein Ende haben, das heißt, sie sind nicht in sich geschlossen. Basierend auf der angenommenen Richtung des Feldes stellen wir fest, dass die Kraftlinien mit positiven Ladungen (positiv geladenen Körpern) beginnen und mit negativen enden.

Reis. 1. Beispiele für ein Bild eines elektrischen Feldes unter Verwendung von Kraftlinien: a – ein elektrisches Feld mit einer einzelnen positiven Ladung, b – ein elektrisches Feld mit einer einzelnen negativen Ladung, c – ein elektrisches Feld mit zwei entgegengesetzten Ladungen, d – an elektrisches Feld zweier gleichartiger Ladungen

In Abb.1 zeigt Beispiele eines elektrischen Feldes, dargestellt anhand von Kraftlinien. Es muss beachtet werden, dass elektrische Feldlinien nur eine Möglichkeit zur grafischen Darstellung eines Feldes sind. Das Konzept der Kraftlinie hat hier keine größere Substanz.

Coulomb-Gesetz

Die Stärke der Wechselwirkung zwischen zwei Ladungen hängt von der Größe und gegenseitigen Anordnung der Ladungen sowie von den physikalischen Eigenschaften ihrer Umgebung ab.

Für zwei elektrifizierte physikalische Körper, deren Abmessungen im Vergleich zum Abstand zwischen den Körpern unbedeutend sind, wird die Heilung der Wechselwirkung mathematisch wie folgt ermittelt:

Dabei ist F die Wechselwirkungskraft der Ladungen in Newton (N), k der Abstand zwischen den Ladungen in Metern (m), Q1 und Q2 die Größe der elektrischen Ladungen in Coulomb (k), k der Proportionalitätskoeffizient, dessen Wert hängt von den Eigenschaften des die Ladungen umgebenden Mediums ab.

Die obige Formel lautet wie folgt: Die Wechselwirkungskraft zwischen zwei Punktladungen ist direkt proportional zum Produkt der Größen dieser Ladungen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen (Coulombsches Gesetz).

Um den Proportionalitätsfaktor k zu bestimmen, verwenden Sie den Ausdruck k = 1 /(4πεεО).

Elektrisches Feldpotential

Ein elektrisches Feld versetzt eine Ladung immer dann in Bewegung, wenn die auf die Ladung wirkenden Feldkräfte nicht durch äußere Kräfte ausgeglichen werden. Dies impliziert, dass das elektrische Feld potentielle Energie besitzt, also die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten.

Durch die Bewegung einer Ladung von einem Punkt im Raum zu einem anderen wirkt das elektrische Feld, wodurch die Versorgung des Feldes mit potentieller Energie abnimmt.Wenn sich eine Ladung in einem elektrischen Feld unter der Wirkung einer den Feldkräften entgegengesetzten äußeren Kraft bewegt, wird die Arbeit nicht von den elektrischen Feldkräften, sondern von äußeren Kräften verrichtet. In diesem Fall nimmt die potentielle Energie des Feldes nicht nur nicht ab, sondern nimmt im Gegenteil zu.

Die von einer äußeren Kraft geleistete Arbeit, die eine Ladung in einem elektrischen Feld bewegt, ist proportional zur Größe der Feldkräfte, die dieser Bewegung entgegenwirken. Die in diesem Fall von äußeren Kräften geleistete Arbeit wird ausschließlich für die Erhöhung der potentiellen Energie des Feldes aufgewendet. Um das Feld von der Seite seiner potentiellen Energie her zu charakterisieren, wird eine Größe namens elektrisches Feldpotential genannt.

Der Kern dieser Menge ist wie folgt. Angenommen, die positive Ladung befindet sich außerhalb des betrachteten elektrischen Feldes. Das bedeutet, dass das Feld praktisch keinen Einfluss auf die gegebene Ladung hat. Lassen Sie eine äußere Kraft diese Ladung in das elektrische Feld einbringen und unter Überwindung des durch die Feldkräfte ausgeübten Bewegungswiderstands die Ladung zu einem bestimmten Punkt im Feld bewegen. Die von der Kraft geleistete Arbeit und damit der Betrag, um den die potentielle Energie des Feldes zugenommen hat, hängt vollständig von den Eigenschaften des Feldes ab. Daher kann diese Arbeit die Energie eines bestimmten elektrischen Feldes charakterisieren.

Die elektrische Feldenergie, die sich auf eine an einem bestimmten Punkt im Feld platzierte Einheit positiver Ladung bezieht, wird als Feldpotential an einem bestimmten Punkt bezeichnet.

Wenn das Potential mit dem Buchstaben φ, die Ladung mit dem Buchstaben q und die zum Bewegen der Ladung aufgewendete Arbeit mit W bezeichnet wird, wird das Feldpotential an einem bestimmten Punkt durch die Formel φ = W / q ausgedrückt.

Daraus folgt, dass das elektrische Feldpotential an einem bestimmten Punkt numerisch gleich der Arbeit ist, die eine äußere Kraft verrichtet, wenn sich eine positive Ladungseinheit aus dem Feld in Richtung eines bestimmten Punktes bewegt. Das Feldpotential wird in Volt (V) gemessen. Wenn bei der Übertragung eines Coulombs Elektrizität außerhalb des Feldes zu einem bestimmten Punkt äußere Kräfte Arbeit von einem Joule verrichtet haben, dann ist das Potential an einem bestimmten Punkt im Feld gleich einem Volt: 1 Volt = 1 Joule / 1 Coulomb

Elektrische Feldstärke

In jedem elektrischen Feld bewegen sich positive Ladungen von Punkten mit höherem Potenzial zu Punkten mit niedrigerem Potenzial. Im Gegenteil, negative Ladungen bewegen sich von Punkten mit niedrigerem Potenzial zu Punkten mit höherem Potenzial. In beiden Fällen wird Arbeit auf Kosten der potentiellen Energie des elektrischen Feldes verrichtet.

Wenn wir diese Arbeit kennen, also den Betrag, um den die potentielle Energie des Feldes abgenommen hat, wenn sich die positive Ladung q von Punkt 1 des Feldes zu Punkt 2 bewegt, dann ist es leicht, die Spannung zwischen diesen Punkten des Feldes zu ermitteln Feld U1,2:

U1,2 = A / q,

Dabei ist A die von den Feldkräften geleistete Arbeit, wenn die Ladung q von Punkt 1 auf Punkt 2 übertragen wird. Die Spannung zwischen zwei Punkten im elektrischen Feld ist numerisch gleich der Arbeit, die Null verrichtet, um eine positive Ladungseinheit von einem Punkt zu übertragen im Feld zu einem anderen.

Wie man sieht, stellen die Spannung zwischen zwei Punkten des Feldes und die Potentialdifferenz zwischen denselben Punkten dieselbe physikalische Einheit dar. Daher sind die Begriffe Spannung und Potentialdifferenz gleich. Die Spannung wird in Volt (V) gemessen.

Die Spannung zwischen zwei Punkten ist gleich einem Volt, wenn bei der Übertragung eines Coulomb Stroms von einem Punkt des Feldes zu einem anderen die Feldkräfte eine Arbeit von einem Joule leisten: 1 Volt = 1 Joule / 1 Coulomb

Elektrische Feldstärke

Aus dem Coulombschen Gesetz folgt, dass die elektrische Feldstärke einer bestimmten Ladung, die auf eine andere Ladung in diesem Feld einwirkt, nicht an allen Punkten des Feldes gleich ist. Das elektrische Feld an jedem Punkt kann durch die Größe der Kraft charakterisiert werden, mit der es auf eine positive Ladungseinheit an einem bestimmten Punkt einwirkt.

Wenn man diesen Wert kennt, kann man die Kraft F bestimmen, die auf jede Ladung Q wirkt. Man kann schreiben: F = Q x E, wobei F die Kraft ist, die auf die Ladung Q wirkt, die durch das elektrische Feld an einem Punkt im Feld platziert wird, E ist die Kraft, die auf eine positive Einheitsladung wirkt, die am selben Punkt im Feld platziert ist. Die Größe E, die numerisch der Kraft entspricht, die eine positive Einheitsladung an einem bestimmten Punkt im Feld erfährt, wird elektrische Feldstärke genannt.