Caratteristiche del campo elettrico

L'articolo descrive le principali caratteristiche del campo elettrico: potenziale, tensione e intensità.

Che cos'è un campo elettrico

Per creare un campo elettrico è necessario creare una carica elettrica. Le proprietà dello spazio attorno alle cariche (corpi carichi) differiscono dalle proprietà dello spazio in cui non ci sono cariche. Allo stesso tempo, le proprietà dello spazio, quando vi viene introdotta una carica elettrica, non cambiano istantaneamente: il cambiamento parte dalla carica e si propaga con una certa velocità da un punto all'altro dello spazio.

In uno spazio contenente una carica si manifestano forze meccaniche agenti su altre cariche introdotte in quello spazio. Queste forze non sono il risultato dell'azione diretta di una carica su un'altra, ma dell'azione attraverso un mezzo qualitativamente mutato.

Lo spazio attorno alle cariche elettriche, in cui si manifestano le forze che agiscono sulle cariche elettriche in esso introdotte, è detto campo elettrico.

Una carica in un campo elettrico si muove nella direzione della forza che agisce su di essa dal lato del campo.Lo stato di riposo di una tale carica è possibile solo quando viene applicata una forza esterna (esterna) alla carica che bilancia la forza del campo elettrico.

Non appena l'equilibrio tra la forza esterna e l'intensità del campo viene disturbato, la carica riprende a muoversi. La direzione del suo movimento coincide sempre con la direzione della forza maggiore.

Per chiarezza, il campo elettrico è solitamente rappresentato dalle cosiddette linee di campo elettrico. Queste linee coincidono con la direzione delle forze che agiscono nel campo elettrico. Allo stesso tempo, si è convenuto di tracciare tante linee che il loro numero per ogni 1 cm2 dell'area installata perpendicolarmente alle linee fosse proporzionale all'intensità del campo nel punto corrispondente.

La direzione del campo è generalmente considerata la direzione dell'intensità del campo che agisce su una carica positiva posta in un dato campo. Le cariche positive sono respinte dalle cariche positive e attratte dalle cariche negative. Pertanto, il campo è diretto da cariche positive a cariche negative.

La direzione delle linee di forza è indicata nei disegni da frecce. La scienza ha dimostrato che le linee di forza di un campo elettrico hanno un inizio e una fine, cioè non sono chiuse da sole. Sulla base della presunta direzione del campo, troviamo che le linee di forza iniziano con cariche positive (corpi caricati positivamente) e terminano con quelle negative.

Riso. 1. Esempi di un'immagine di un campo elettrico che utilizza linee di forza: a - un campo elettrico con una singola carica positiva, b - un campo elettrico con una singola carica negativa, c - un campo elettrico di due cariche opposte, d - un campo elettrico di due cariche uguali

Nella fig.1 mostra esempi di un campo elettrico rappresentato utilizzando linee di forza. Va ricordato che le linee del campo elettrico sono solo un modo per rappresentare graficamente un campo. Non c'è sostanza più grande per il concetto di linea di forza qui.

Legge di Coulomb

La forza dell'interazione tra due cariche dipende dalla dimensione e dalla disposizione reciproca delle cariche, nonché dalle proprietà fisiche del loro ambiente.

Per due corpi fisici elettrificati, le cui dimensioni sono insignificanti rispetto alla distanza tra i corpi, la guarigione dell'interazione è determinata matematicamente come segue:

dove F è la forza di interazione delle cariche in newton (N), k — distanza tra le cariche in metri (m), Q1 e Q2 — grandezza delle cariche elettriche in coulomb (k), k è il coefficiente di proporzionalità, il cui valore dipende dalle proprietà del mezzo che circonda le cariche.

La formula sopra si legge così: la forza di interazione tra due cariche puntiformi è direttamente proporzionale al prodotto delle grandezze di queste cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro (legge di Coulomb).

Per determinare il fattore di proporzionalità k, utilizzare l'espressione k = 1 /(4πεεО).

Potenziale di campo elettrico

Un campo elettrico impartisce sempre moto a una carica se le forze del campo che agiscono sulla carica non sono bilanciate da forze esterne. Ciò implica che il campo elettrico ha energia potenziale, cioè la capacità di compiere lavoro.

Spostando una carica da un punto all'altro nello spazio, il campo elettrico funziona, per cui la fornitura di energia potenziale al campo diminuisce.Se una carica si muove in un campo elettrico sotto l'azione di una forza esterna che agisce in modo opposto alle forze del campo, allora il lavoro non viene svolto dalle forze del campo elettrico, ma da forze esterne. In questo caso l'energia potenziale del campo non solo non diminuisce, ma anzi aumenta.

Il lavoro svolto da una forza esterna che muove una carica in un campo elettrico è proporzionale all'entità delle forze del campo che si oppongono a tale movimento. Il lavoro svolto in questo caso da forze esterne è interamente speso per aumentare l'energia potenziale del campo. Per caratterizzare il campo dal lato della sua energia potenziale, viene chiamata una quantità chiamata potenziale del campo elettrico.

L'essenza di questa quantità è la seguente. Supponiamo che la carica positiva sia al di fuori del campo elettrico considerato. Ciò significa che il campo non ha praticamente alcun effetto sulla carica data. Lascia che una forza esterna introduca questa carica nel campo elettrico e, vincendo la resistenza al moto esercitata dalle forze del campo, muovi la carica in un dato punto del campo. Il lavoro svolto dalla forza, e quindi la quantità di cui è aumentata l'energia potenziale del campo, dipende interamente dalle proprietà del campo. Pertanto, questo lavoro può caratterizzare l'energia di un dato campo elettrico.

L'energia del campo elettrico relativa a un'unità di carica positiva posta in un dato punto del campo è chiamata potenziale di campo in un dato punto.

Se il potenziale è indicato dalla lettera φ, la carica dalla lettera q e il lavoro speso per spostare la carica da W, allora il potenziale di campo in un dato punto sarà espresso dalla formula φ = W / q.

Ne consegue che il potenziale del campo elettrico in un dato punto è numericamente uguale al lavoro svolto da una forza esterna quando un'unità di carica positiva si sposta fuori dal campo verso un dato punto. Il potenziale di campo è misurato in volt (V). Se durante il trasferimento di un coulomb di elettricità fuori dal campo in un dato punto, le forze esterne hanno svolto un lavoro pari a un joule, allora il potenziale in un dato punto del campo è pari a un volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensità del campo elettrico

In qualsiasi campo elettrico, le cariche positive si spostano da punti di potenziale maggiore a punti di potenziale minore. Al contrario, le cariche negative si spostano da punti di potenziale inferiore a punti di potenziale maggiore. In entrambi i casi, il lavoro viene svolto a spese dell'energia potenziale del campo elettrico.

Se conosciamo questo lavoro, cioè la quantità di cui l'energia potenziale del campo è diminuita quando la carica positiva q si sposta dal punto 1 del campo al punto 2, allora è facile trovare la tensione tra questi punti del campo U1,2:

U1,2 = A / q,

dove A è il lavoro svolto dalle forze del campo quando la carica q viene trasferita dal punto 1 al punto 2. La tensione tra due punti nel campo elettrico è numericamente uguale al lavoro svolto da zero per trasferire un'unità di carica positiva da un punto sul campo all'altro.

Come si può vedere, la tensione tra due punti del campo e la differenza di potenziale tra gli stessi punti rappresentano la stessa unità fisica… Quindi i termini tensione e differenza di potenziale sono gli stessi. La tensione è misurata in volt (V).

La tensione tra due punti è pari a un volt se, durante il trasferimento di un coulomb di elettricità da un punto all'altro del campo, le forze del campo funzionano pari a un joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Intensità del campo elettrico

Dalla legge di Coulomb risulta che l'intensità del campo elettrico di una data carica che agisce su un'altra carica posta in questo campo non è la stessa in tutti i punti del campo. Il campo elettrico in qualsiasi punto può essere caratterizzato dall'entità della forza con cui agisce su un'unità di carica positiva posta in un dato punto.

Conoscendo questo valore si può determinare la forza F che agisce su ciascuna carica Q. Si può scrivere che F = Q x E, dove F è la forza che agisce sulla carica Q posta in un punto del campo dal campo elettrico, E è la forza che agisce su un'unità di carica positiva posta nello stesso punto del campo. La quantità E numericamente uguale alla forza esercitata da un'unità di carica positiva in un dato punto del campo è chiamata intensità del campo elettrico.