Pole elektryczne – stan
przestrzeni
otaczającej
ładunki elektryczne
lub zmienne pole magnetyczne. W polu elektrycznym na ładunek elektryczny działa
siła
elektrostatyczna.
Koncepcję pola elektrycznego wprowadził
Michael Faraday
(w połowie XIX wieku) jako opis oddziaływania ładunków elektrycznych. Z biegiem czasu okazało się, że pole elektryczne ma dużo szersze znaczenie.
Ładunek poruszający się wytwarza nie tylko pole elektryczne, ale również pole magnetyczne. W ogólności oba te pola nie mogą być traktowane oddzielnie, mówi się wtedy o
polu elektromagnetycznym
. Podstawowymi prawami opisującymi pole elektromagnetyczne są
równania Maxwella
. Nośnikami
oddziaływań elektromagnetycznych
są
fotony
.
Wielkości opisujące pole elektryczne
Natężenie pola elektrycznego
Natężenie pola elektrycznego jest podstawową wielkością opisującą pole elektryczne (i niekiedy samo jest nazywane krótko polem elektrycznym). Jest to
pole wektorowe
, zdefiniowane w danym punkcie pola jako stosunek
siły
wywieranej przez pole na
ładunek
próbny q umieszczony w tym punkcie do wartości tegoż ładunku q:
Ładunek z pomocą którego określa się pole musi być na tyle mały, by nie zmieniać rozkładu ładunków w otaczającej go przestrzeni.
Potencjał pola elektrycznego
Inną wielkością opisującą pole elektryczne jest potencjał pola elektrycznego. Potencjał jest
polem skalarnym
, zdefiniowane w każdym punkcie pola elektrycznego jako stosunek
energii potencjalnej
Ep ładunku próbnego q umieszczonego w tym punkcie, do wartości tegoż ładunku q:
Energia pola elektrycznego
W polu elektrycznym zgromadzona jest energia. Jest ona równa pracy potrzebnej do ułożenia układu ładunków wytwarzających dane pole elektryczne, można więc stwierdzić, że energia potencjalna układu ładunków jest równoważna energii w wytworzonym przez nie polu elektrycznym.
Gęstość energii pola elektrycznego (energia zawarta w jednostce objętości) wyraża się przez:
gdzie: -
przenikalność elektryczna próżni
, - natężenia pola elektrycznego.
Linie sił pola elektrycznego
Linie sił pola elektrycznego wytworzonego przez dwa ładunki różnych znaków
Do obrazowego przedstawienia pola elektrycznego używa się linii sił pola elektrycznego, są to linie, które w każdym punkcie przestrzeni są styczne do wektora siły działającej w tym polu na dodatni ładunek próbny.
Właściwości pola elektrycznego
Zasada superpozycji
Siła pochodzące od kilku pól elektrycznych jest wektorową sumą sił, jakie wytwarza każde z tych pól. Możliwość sumowania wkładów od wielu pól jest dziedziczona przez wielkości opisujące pole elektryczne, takie jak natężenie pola elektrycznego, czy jego potencjał.
Zachowawczość pola elektrycznego
Siły elektryczne wytworzone przez spoczywające lub poruszające się ruchem jednostajnym ładunki, są
zachowawcze
, czyli praca wykonana przy przesunięciu ładunku w polu elektrycznym na drodze zamkniętej jest równa zeru. Często krótko nazywa się zachowawczym samo pole elektryczne ładunków spoczywających zwane polem elektrostatycznym.
Wynikiem zachowawczości pola elektrycznego jest jego
Obie te cechy są matematycznie równoważne z zachowawczością.
Pole elektryczne wytworzone przez zmieniające się pole magnetyczne nie jest zachowawcze i powinno być rozpatrywane wspólnie z polem magnetycznym jako
pole elektromagnetyczne
.
Źródłowość pola elektrycznego
Pole elektryczne wytworzone przez ładunki elektryczne jest polem źródłowym, linie sił tego pola rozpoczynają się i kończą na ładunkach. Matematycznym wyrazem źródłowości pola elektrycznego jest
prawo Gaussa
.
Szczególne konfiguracje pola elektrycznego
Pole ładunku punktowego
Schematyczny obraz natężenia pola elektrycznego wokół ujemnego ładunku punktowego
Siła działająca między dwoma ładunkami
Q i q to
jeśli q jest ładunkiem próbnym umieszczonym w pewnym punkcie przestrzeni, a Q wytwarza pole elektryczne, to wyrażenia na natężenie pola elektrycznego:
Wartość tego natężenia pola wynosi:
gdzie:
- - wektor wodzący, o początku w źródle pola (ładunku Q), a końcu w rozważanym punkcie przestrzeni (ładunku q),
Pole jednorodne
Linie sił (czarne) i powierzchnie ekwipotencjalne (czerwone) jednorodnego pola elektrycznego w naładowanym kondensatorze płaskim
Pole jednorodne to pole, dla którego we wszystkich punktach natężenie pola jest takie samo, czyli ma stałą wartość, kierunek i zwrot. Przykładem może być pole we wnętrzu
kondensatora
płaskiego.
Pole elektryczne w przewodnikach
W
przewodnikach elektrycznych
istnieją swobodne nośniki ładunku, które pod wpływem przyłożonego pola będą się przemieszczać tak długo, aż ustali się stan równowagi - zaniknie działająca na nie siła, a zatem natężenie pola elektrycznego będzie równe zeru.
Źródła
- Dawid Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker; Podstawy Fizyki; tom 3; PWN, Warszawa 2003.
Linki zewnętrzne
Wykład o polu elektrycznym