Ηλεκτρικό πεδίο

Ένα ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα φυσικό πεδίο που σχετίζεται με κάθε σημείο που υπάρχει στο χώρο και περιβάλλει τα φορτία που μπορεί να υπάρχουν σε οποιαδήποτε μορφή. Ένα ηλεκτρικό πεδίο έχει την ικανότητα να ασκεί δύναμη είτε με απώθηση είτε με έλξη σε όλα τα γύρω φορτισμένα σωματίδια. Το μέγεθος καθώς και η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου μπορούν να εκφραστούν με την ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, η οποία συμβολίζεται με το σύμβολο E. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου μπορεί επίσης να ονομαστεί ένταση ηλεκτρικού πεδίου ή ηλεκτρικό πεδίο. Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό από το παρακάτω παράδειγμα ηλεκτρικού πεδίου με τη μορφή διαγράμματος.

Ηλεκτρική φόρτιση

Το ηλεκτρικό πεδίο είναι ένα διανυσματικό μέγεθος που έχει και μεγέθη και κατεύθυνση. Είναι βασικά η δύναμη που βιώνει κάθε σημείο που φέρει θετικό φορτίο. Έτσι, η ηλεκτρική δύναμη είναι το αποτέλεσμα ενός φαινομένου που ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρικά φορτία παράγουν μια περιοχή στο χώρο γύρω από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια, όπου τα διαφορετικά φορτισμένα σωματίδια μπορεί να αισθάνονται τη δύναμη. Σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, ένα φορτίο θεωρείται η πηγή ενός ηλεκτρικού πεδίου όταν εκτείνεται με τρόπο προς τα έξω στον περιβάλλοντα χώρο. Η δύναμη που ασκείται από το πρώτο σωματίδιο στο δεύτερο σωματίδιο σε αυτή την περιοχή μπορεί να οριστεί ως μια άμεση αλληλεπίδραση μεταξύ του δεύτερου φορτίου καθώς και του ηλεκτρικού πεδίου.

Μαθηματικά, το ηλεκτρικό πεδίο εκφράζεται με τη μορφή της εξίσωσης,

E=F/Q 

Πού,

E =Ηλεκτρικό πεδίο, 

F =Δύναμη 

Q =Χρέωση 

Ποιες είναι οι διαστάσεις ενός ηλεκτρικού πεδίου;

Μπορούμε να δούμε στις σημειώσεις ηλεκτρικού πεδίου ότι το ηλεκτρικό πεδίο εκφράζεται σε δύναμη ανά μονάδα φορτίου. Στο σύστημα SI, οι μονάδες εκφράζονται σε Newton ανά Coulomb, που είναι σχεδόν ισοδύναμο με Volt ανά μέτρο. Στο σύστημα CGS, οι μονάδες εκφράζονται σε Dynes ανά ηλεκτροστατική μονάδα, που ισοδυναμεί με Statvolts ανά εκατοστό.

Όντας διανυσματική ποσότητα, στο ηλεκτρικό πεδίο εκχωρούνται βέλη που πηγαίνουν προς και μακριά από φορτία. Το ηλεκτρικό πεδίο δρα με τον ίδιο τρόπο όπως ένα βαρυτικό πεδίο μεταξύ δύο μαζών. Έτσι, στις σημειώσεις ηλεκτρικού πεδίου, μπορούμε να δούμε ότι το ηλεκτρικό πεδίο υπακούει στον νόμο του αντίστροφου τετραγώνου με την απόσταση. Μπορεί να γίνει κατανοητό αποτελεσματικά μέσω του νόμου του Coulomb.

Νόμος του Coulomb

Ο νόμος του Coulomb δηλώνει ότι το μέγεθος της δύναμης μεταξύ δύο σημειακών φορτίων είναι ευθέως ανάλογο με το μέγεθος του φορτίου και αντιστρόφως ανάλογο με την απόσταση μεταξύ των δύο φορτίων. Μπορεί να γίνει κατανοητό καθαρά από την ακόλουθη δήλωση:εάν το φορτίο της πηγής διπλασιαστεί, το ηλεκτρικό πεδίο θα διπλασιαστεί. και αν απομακρυνθούμε από μια πηγή, το ηλεκτρικό πεδίο θα έχει εξαιρετικά χαμηλή ισχύ, που είναι μόνο περίπου το ένα τέταρτο της ισχύος του σε σχέση με το αρχικό.

Η κατεύθυνση ενός ηλεκτρικού πεδίου

Οι κατευθύνσεις ενός ηλεκτρικού πεδίου που ασκείται από θετικά και αρνητικά φορτία είναι αντίθετες μεταξύ τους. Ως κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου επιλέγεται η κατεύθυνση ενός θετικού φορτίου. Δεδομένου ότι παρόμοια φορτία απωθούνται μεταξύ τους, το ηλεκτρικό πεδίο που περιβάλλει ένα απομονωμένο θετικό φορτίο ακτινοβολείται προς τα έξω. Εάν το ηλεκτρικό πεδίο εκφράζεται με τη μορφή γραμμών πεδίου ή γραμμών δύναμης, θεωρείται ότι ξεκινά από θετικό φορτίο και τελειώνει σε αρνητικά φορτισμένα είδη. Η ευθεία που εφάπτεται στο ηλεκτρικό πεδίο χρησιμοποιείται για να εκφράσει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα συγκεκριμένο σημείο.

Ισχύς ηλεκτρικού πεδίου

Η περιοχή όπου οι γραμμές πεδίου βρίσκονται σε στενή επαφή μεταξύ τους αντιμετωπίζει ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο σε σύγκριση με την περιοχή όπου αυτές οι γραμμές πεδίου απέχουν πολύ μεταξύ τους.

Παραδείγματα ηλεκτρικού πεδίου

Οι πυκνωτές και οι κυψέλες των μπαταριών δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία λόγω των φορτίων και των διαμορφώσεών τους. Τα ραδιοκύματα, το φως, οι ακτίνες Χ, κ.λπ., περιέχουν στοιχεία που σχετίζονται με το ηλεκτρικό πεδίο.

Τύποι ηλεκτρικού πεδίου

• Ηλεκτροστατικά πεδία
• Ομοιόμορφα πεδία
• Πεδία ηλεκτροδυναμικής
• Πεδίο ηλεκτρικής μετατόπισης

Ηλεκτροστατικά πεδία:Αυτά τα πεδία δεν αλλάζουν σε σχέση με το χρόνο. Μπορούν να φανούν όταν δεν υπάρχουν αλλαγές στο σύστημα της φορτισμένης ύλης και παραμένουν ακίνητα.

Ομοιόμορφα πεδία:Όπως υποδηλώνει το όνομα, είναι σταθερά σε κάθε σημείο. Η προσέγγισή του συνήθως επιτυγχάνεται με την παράλληλη τοποθέτηση αγώγιμων πλακών και τη διατήρηση της κατάλληλης τάσης μεταξύ τους.

Ηλεκτροδυναμικά πεδία:Ένα ηλεκτροδυναμικό πεδίο είναι ένα παράδειγμα ηλεκτρικού πεδίου που έχει την τάση να αλλάζει με το χρόνο όταν τα φορτία παραμένουν σε κίνηση.

Πεδίο ηλεκτρικής μετατόπισης:Το πεδίο ηλεκτρικής μετατόπισης αναφέρεται επίσης ως ηλεκτρική επαγωγή. Είναι ένας τύπος διανυσματικού πεδίου που μπορεί να βρεθεί στο τμήμα εξισώσεων Maxwell των σημειώσεων ηλεκτρικού πεδίου. Εκφράζεται με το σύμβολο D, που αντιστοιχεί στον όρο μετατόπιση. Λογίζει τα αποτελέσματα που εμφανίζονται από χρεώσεις που μπορεί να παραμείνουν δωρεάν ή μπορεί να είναι δεσμευμένες στα υλικά.

Έκφραση ηλεκτρικού πεδίου σε σχέση με διαφορετικά σημειακά φορτία

Ηλεκτρικό πεδίο κοντά σε απομονωμένο σημείο φόρτισης

Το ηλεκτρικό πεδίο κοντά σε ένα απομονωμένο σημείο φορτίου μπορεί να εκφραστεί με την εξίσωση,

Η κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου δείχνει μακριά από το θετικό φορτίο και προς το αρνητικό φορτίο. Μπορεί να φανεί ότι το μέγεθος του ηλεκτρικού πεδίου πέφτει με ρυθμό 1r2 καθώς απομακρυνόμαστε από το σημειακό φορτίο.

Έκφραση ηλεκτρικού πεδίου προς πολλαπλά σημειακά φορτία

Αυτό το ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να εκφραστεί με το άθροισμα των πεδίων από κάθε σημειακή φόρτιση. Ο τύπος άθροισης είναι διανυσματικό άθροισμα.

Έκφραση ηλεκτρικού πεδίου προς κατανεμημένα φορτία

Αν οι χρεώσεις εκφράζονται ως συνεχής κατανομή, τότε το άθροισμα πρέπει να ληφθεί ως ολοκλήρωμα.

Εδώ, το r είναι η απόσταση μεταξύ του dq και της περιοχής μεγίστου ενδιαφέροντος, ενώ το r είναι η κατεύθυνση της δύναμης με γραμμικό τρόπο μεταξύ του dq και της περιοχής ενδιαφέροντος.

Συμπέρασμα 

Το ηλεκτρικό πεδίο είναι μια δύναμη που βιώνεται από ένα σημειακό φορτίο στον περιβάλλοντα χώρο. Είναι ένα διανυσματικό μέγεθος που έχει κατεύθυνση και μέγεθος. Εκφράζεται σε Newtons ανά Coulomb. Μαθηματικά, το ηλεκτρικό πεδίο εκφράζεται με τη μορφή της εξίσωσης E=F/Q, όπου E σημαίνει ηλεκτρικό πεδίο, F σημαίνει δύναμη και Q σημαίνει φορτίο. Το ηλεκτρικό πεδίο εκφράζεται με το νόμο του Coulomb.