Pomozte vývoji webu a sdílení článku s přáteli!
Elektrické pole je prostor, ve kterém na nabitá tělesa působí elektrická síla. Síla elektrického pole nám umožňuje předpovědět, jak silná tato síla bude. Ale umíte nakreslit elektrické pole? Nebo si to alespoň představit?
Elektrické pole je těžké si představit. Zkušební náboj umístěný v daném bodě prostoru je vystaven určité síle. V jiném bodě prostoru působí na stejný elektrický náboj jiná síla: s jinou velikostí a v jiném směru. V každém bodě elektrického pole – a takových bodů je nekonečně mnoho – působí nějaká síla.
A přesto říkáme, že pole existuje, i když neexistuje žádný elektrický náboj, na který síly působí. Nekonečné množství sil, které ještě neexistují, ale které se objeví, když se objeví elektrický náboj - to není něco, co je pro představivost snadné pochopit (obr. 1.). Příliš nepomáhá zavedení konceptu intenzity pole, který říká, jaká síla nepůsobí na žádný elektrický náboj, ale na jediný kladný náboj.
Rýže. 1. Nekonečné množství elektrických sil. Nevypadá to moc dobře Existuje však elegantní způsob, jak graficky znázornit elektrické pole. Samozřejmě není dokonalý a neukazuje všechny aspekty elektrického pole. Ale je to jednoduché a přitažlivé pro představivost a také všestranné. Lze jej použít k vizualizaci nejen elektrického pole, ale také magnetického pole, gravitačního pole a jakéhokoli jiného vektorového pole. Mluvíme o siločarách (obr. 2.).
Rýže. 2. Elektrické siločáry si můžeme snadno představit
Co jsou elektrické siločáry? Jsou to čáry, které ukazují, kterým směrem působí elektrická síla v daném bodě pole na elektrický náboj tam umístěný, a navíc dávají představu o velikosti této síly.
Zde jsou vlastnosti, které jsou charakteristické pro elektrické siločáry:
- Elektrické siločáry jsou nakresleny tak, aby silový vektor působící na elektrický náboj umístěný v poli směřoval vždy tečně k nim.
- Čáry elektrického pole jsou směrované (obr. 3.), to znamená, že mají výrazný charakter. Tento směr odpovídá směru síly působící na kladný elektrický náboj umístěný v poli. Náboj (skutečný nebo imaginární), který používáme k určení směru siločar elektrického pole, se nazývá zkušební náboj. Všimněte si, že se předpokládá, že se jedná o kladný náboj.Síla působící na záporný náboj bude mít opačný směr než siločáry elektrického pole.
- Čáry elektrického pole jsou kresleny tím hustěji, čím vyšší je intenzita pole v dané oblasti.
- Pozitivní náboj se bude pohybovat podél siločar, pokud jej umístíme do daného bodu a nedáváme mu žádnou rychlost.
Rýže. 3. Černé čáry jsou elektrické siločáry. Oranžové šipky představují vektory síly elektrického pole (sílu působící na jednotkový kladný náboj) v různých bodech. Všimněte si, že v každém bodě je síla tečnou k siločarám.
Elektrické siločáry si lze představit ve třech rozměrech, například rozprostírající se všemi směry z elektricky nabité koule (obr. 4.).
Rýže. 4. Elektrické siločáry ve třech rozměrech
Nejčastěji však vidíme elektrické siločáry v rovině: list papíru, obrazovka monitoru. Vždy je důležité mít na paměti, že elektrické pole prochází všemi třemi rozměry a řez nebo projekce ve dvou rozměrech je zjednodušením, které používáme ke snadnějšímu grafickému znázornění.
Dalším zjednodušením je, že siločáry nepokrývají celý prostor nebo rovinu výkresu. Síla je však přítomna všude, včetně mezer mezi nakreslenými čarami! Siločáry jsou nakresleny dostatečně hustě, aby poskytly představu o směru sil pole v každém bodě; pokud by však byly nakresleny příliš těsně, kresbu by to ztmavilo.
Dalším důležitým faktem o siločarách elektrického pole, který vyplývá ze zákonů elektřiny a magnetismu, je, že dokud jsou elektrické náboje vytvářející elektrické pole stacionární (pak mluvíme o elektrostatickém poli), elektrické siločáry nikdy netvoří uzavřené okruhy; nikde nekončí ani nezačínají - elektrické siločáry vždy začínají kladným elektrickým nábojem a končí záporným elektrickým nábojem (obr.5).
Rýže. 5. Elektrostatické siločáry vždy "opouštějí" kladný náboj a "vstupují" do záporného náboje. Nikdy nekončí ani nezačínají v prázdném prostoru.
Pojďme se podívat, jak siločáry vypadají v praxi na příkladu pole kolem kladného bodového náboje.
Příklad
Znázorněte elektrické pole kolem kladného bodového náboje pomocí elektrických siločar.
Řešení:
Začněme označením bodového náboje, který je zdrojem pole. Coulombův zákon říká, že síla elektrostatické interakce mezi dvěma bodovými elektrickými náboji je vždy směrována podél přímky spojující elektrické náboje. Proto, aby čáry elektrického pole byly v každém bodě tečné k vektoru síly, musí to být přímky vycházející ze zdroje elektrického náboje (obr.6.).
Rýže. 6. Přímky vycházející ze zdroje elektrického náboje
Protože máme co do činění s kladným nábojem, síla působící na kladný testovací elektrický náboj umístěný ve zkoumaném elektrickém poli bude silou odpudivou. Siločáry proto směřují „ven“ (obr. 7.):
Rýže. 7. Elektrické siločáry směřují ven
Všimněte si, že nakreslené elektrické siločáry jsou koncentrovanější blíže k bodovému náboji (čtverec "a" ), který je jejich zdrojem. Protože "hustotu" čar interpretujeme jako hodnotu intenzity pole, dává nám to tušit, že pole kolem bodového náboje slábne (čtverec "b" ), když se od tohoto elektrického náboje vzdalujeme (v případě siločáry nakreslené v rovině, ale "hustota" čar není matematicky přesná míra intenzity pole).