Ηλεκτρικές Γραμμές Δυνάμεων

Κάθε φορτίο παράγει το δικό του ηλεκτρικό πεδίο και άλλα φορτία βιώνουν την ηλεκτρική δύναμη κοντά σε αυτό το φορτίο. Αυτή η δύναμη μπορεί να είναι είτε ελκυστική είτε απωθητική, ανάλογα με τη φύση των φορτίων.

Δεν μπορούμε να «δούμε» τα ηλεκτρικά πεδία με γυμνά μάτια. Αυτά τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να αναπαρασταθούν εικονογραφικά από τις «ηλεκτρικές γραμμές δυνάμεων».

Ιστορικό:

Τα ηλεκτρικά πεδία είναι παντού, αλλά δεν μπορούμε να τα «δούμε» με γυμνά μάτια. Για να απεικονίσει αυτά τα ηλεκτρικά πεδία, ο Michael Faraday, το έτος 1837, εισήγαγε την έννοια των ηλεκτρικών γραμμών δυνάμεων. Με τη βοήθεια αυτών των γραμμών, μπορούμε να βρούμε την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου και την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης σε κάθε σημείο του χώρου. Η ιδέα της αναπαράστασης διανυσματικών γραμμών πεδίου με τη βοήθεια γραμμών δύναμης είναι τόσο θεμελιώδης που βοηθάει πολύ κατά τη μελέτη του πολύπλοκου συστήματος. Αυτή η έννοια της αναπαράστασης οποιουδήποτε διανυσματικού πεδίου σχεδιάζοντας γραμμές σε χαρτί χρησιμοποιείται συχνά για τη μελέτη της βαρύτητας, της δυναμικής των ρευστών, της αεροδυναμικής, της ηλεκτροστατικής και της μαγνητοστατικής.

Ορισμός:

Οι ηλεκτρικές γραμμές δυνάμεων είναι φανταστικές γραμμές που χαράσσονται στο χώρο έτσι ώστε η εφαπτομένη που σχεδιάζεται σε οποιοδήποτε σημείο της γραμμής δίνει την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου και την κατεύθυνση της ηλεκτρικής δύναμης.

Το παρακάτω διάγραμμα αποτελείται από ένα θετικό και ένα αρνητικό φορτίο που διατηρούνται το ένα κοντά στο άλλο. Μπορούμε να βρούμε την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου στα σημεία Α και Β σχεδιάζοντας εφαπτόμενες στα αντίστοιχα σημεία όπως φαίνεται: 

Ηλεκτρικές γραμμές δύναμης λόγω φορτίων: 

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τις ηλεκτρικές γραμμές δύναμης για θετικά και αρνητικά φορτία:

1. Για θετικό φορτίο, οι ηλεκτρικές γραμμές δυνάμεων εμφανίζονται όπως κατευθύνονται μακριά από το φορτίο. Υπάρχει άπειρος αριθμός ηλεκτρικών γραμμών δύναμης λόγω αυτού του φορτίου.
2. Για αρνητικό φορτίο, οι γραμμές δυνάμεων εμφανίζονται όπως κατευθύνονται προς το φορτίο. Υπάρχει άπειρος αριθμός ηλεκτρικών γραμμών δύναμης λόγω αυτού του φορτίου.
3. Κάθε ηλεκτρική γραμμή δύναμης είναι συνεχής και εκτείνεται μέχρι το άπειρο.

Ηλεκτρικές γραμμές δυνάμεων λόγω ζεύγους θετικού και αρνητικού φορτίου 

Σε αυτή την περίπτωση, οι γραμμές αναδύονται από το θετικό φορτίο και καταλήγουν στο αρνητικό φορτίο. Αυτές οι γραμμές θα μπορούσαν να είναι καμπύλες καθώς και ευθείες, αλλά ποτέ δεν τέμνονται ή συναντώνται μεταξύ τους. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τις ηλεκτρικές γραμμές δύναμης για την περίπτωση. Αυτό το διάγραμμα αντιπροσωπεύει επίσης την «ελκυστική» φύση της δύναμης μεταξύ αυτών των φορτίων. Αυτό συμβαίνει γιατί οι γραμμές που προέκυψαν από το θετικό φορτίο και συνέκλιναν στο αρνητικό φορτίο είναι στην ίδια κατεύθυνση.

Ηλεκτρικές γραμμές δύναμης λόγω ζεύγους ομοειδών φορτίων

Σε αυτή την περίπτωση, οι γραμμές προκύπτουν και από τα θετικά φορτία και καταλήγουν στο άπειρο. Αυτές οι γραμμές θα μπορούσαν να είναι καμπύλες καθώς και ευθείες, αλλά ποτέ δεν τέμνονται ή συναντώνται μεταξύ τους. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τις ηλεκτρικές γραμμές δύναμης για την περίπτωση. Αυτό το διάγραμμα αντιπροσωπεύει επίσης την «αποκρουστική» φύση της δύναμης μεταξύ αυτών των φορτίων. Αυτό συμβαίνει επειδή οι γραμμές που προέκυψαν από θετικό φορτίο και προέκυψαν από θετικό φορτίο είναι προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Γενικά χαρακτηριστικά 

1. Συμβατικά, οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης αναδύονται πάντα από ένα θετικό φορτίο. Αυτές οι γραμμές συγκλίνουν σε αρνητικό φορτίο.
2. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης δεν τέμνονται ποτέ μεταξύ τους. Ο λόγος είναι ότι εάν δύο ηλεκτρικές γραμμές δύναμης τέμνονται, τότε αυτό το ηλεκτρικό πεδίο έχει δύο διαφορετικές κατευθύνσεις σε ένα μόνο σημείο, κάτι που είναι αδύνατο.
3. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης δεν διέρχονται από τα αγώγιμα μέσα επειδή το ηλεκτρικό πεδίο μέσα σε ένα αγώγιμο υλικό είναι πάντα μηδέν.
4. Η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου σε ένα σημείο είναι ευθέως ανάλογη με τον αριθμό των ηλεκτρικών γραμμών δύναμης που διέρχονται από την επιφάνεια που διατηρείται κάθετα προς την κατεύθυνσή της.
5. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης συγκεντρώνονται κοντά σε ένα σημείο όπου η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι μέγιστη. Από την άλλη πλευρά, αυτές οι γραμμές διαχωρίζονται όπου η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου είναι ελάχιστη.
6. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης λόγω στατικών ηλεκτρικών πεδίων δεν σχηματίζουν ποτέ κλειστό βρόχο.
7. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης είναι πάντα συνεχείς. Δεν σπάνε ποτέ στο ενδιάμεσο.
8. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης στην αντίθετη κατεύθυνση η μία από την άλλη ελκύουν η μία την άλλη. Ταυτόχρονα, οι γραμμές στην ίδια κατεύθυνση απωθούνται μεταξύ τους.

Συμπέρασμα 

Τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να απεικονιστούν με τη βοήθεια της έννοιας των «γραμμών δύναμης». Έχουμε δει ορισμένα χαρακτηριστικά και συμπεριφορά αυτών των γραμμών σε διαφορετικές κατανομές φορτίου. Οι ηλεκτρικές γραμμές δύναμης θεωρούνται ότι αναδύονται από το θετικό φορτίο και καταλήγουν στο αρνητικό φορτίο. Αυτή η σύμβαση ακολουθείται από την επιστημονική κοινότητα.