Kodėl aplink krūvius egzistuoja elektriniai laukai?
Trumpas atsakymas: Elektriniai laukai egzistuoja todėl, kad elektros krūviai stumia arba traukia kitus krūvius, net kai jie nesiliečia. Laukas yra būdas apibūdinti, kaip krūvis veikia jį supančią erdvę, kad kiti krūviai jaustų jėgą.
Ką tai reiškia?
Kiekvienas elektros krūvis sukuria skirtingą erdvę aplink jį. Šį skirtumą vadiname elektriniu lauku. Laukas nurodo mažyčiam bandomajam krūviui, kuria kryptimi jį stumtų arba trauktų jėga.
Teigiami krūviai priverčia lauko linijas nukreipti tolyn. Neigiami krūviai priverčia lauko linijas nukreipti jų link. Laukas silpnėja toli nuo krūvio ir stiprėja arti.
Mąstymas laukų terminais padeda mums numatyti, kaip juda krūviai ir kaip veikia tokie įrenginiai kaip varikliai ir jutikliai. Laukai leidžia krūviams sąveikauti per atstumą, nereikia jų pirmiausia paliesti, o tai lengviau apibūdinti nei sakyti, kad jie „paslaptingai pasiekia vienas kitą“. Mokslas: Kulono dėsnis ir elektrinio lauko koncepcija paaiškina, kaip ir kodėl susidaro elektriniai laukai.
Iš kur mes žinome: eksperimentai matuoja jėgas ir sudaro lauko žemėlapį naudodami mažus bandomuosius krūvius ir prietaisus.
Mokslinis paaiškinimas
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikio/dėsnio pavadinimas: Kulono dėsnis ir elektrinio lauko sąvoka (dalis Maksvelo lygčių).
Kulombo dėsnis nurodo jėgos tarp dviejų taškinių krūvių dydį. Jame teigiama, kad jėga yra proporcinga krūvių sandaugai ir mažėja proporcingai atstumo tarp jų kvadratui. Elektrinis laukas apibrėžiamas kaip jėga, tenkanti krūvio vienetui kiekviename erdvės taške.
Tai reiškia, kad galite įsivaizduoti, kaip į vietą įdedate mažytį teigiamą bandomąjį krūvį ir išmatuojate jėgą; laukas yra jėga, kurią išmatuotumėte, padalyta iš bandomojo krūvio. Laukai turi kryptį ir stiprumą. Brėžiame lauko linijas, kad parodytume, kur judėtų teigiamas bandomasis krūvis.
Gauso dėsnis ir kitos Maksvelo lygtys susieja lauką su tuo, kaip krūvis pasiskirsto ir kaip laukai keičiasi laike. Naudojant lauko idėją, lengviau apskaičiuoti jėgas sudėtingose sistemose ir apibūdinti, kaip elektros energija juda erdvėje.
Kaip mes tai žinome: Kruopštūs laboratoriniai jėgų tarp krūvių matavimai atitinka Kulono dėsnį. Mokslininkai taip pat kartografuoja laukus, padėdami mažus bandomuosius krūvius arba naudodami lauko jutiklius, ir randa modelius, kurie atitinka aukščiau pateiktas lygtis.
Kasdieniai pavyzdžiai
- Statiškai įkrautas balionas, prilipęs prie sienos
- Žaibas, judinantis krūvį tarp debesų ir žemės
- Spausdintuvo rašalo lašelius valdo elektriniai laukai
- Jutikliniai ekranai ir talpiniai jutikliai, aptinkantys jūsų pirštą
- Dulkės, prilipusios prie įkrautų šukų, kai jomis braukiate per plaukus
Praktinis bandymas
Pavadinimas: Balionas ir popieriaus gabalėliai
Sauga: Laikyti atokiau nuo elektronikos prietaisų; netrinkite jautrios odos.
Priemonės
- Balionas
- maži popieriaus gabalėliai
- vilnonis audinys arba plaukai
Žingsniai
- Pripūskite balioną ir užriškite jį.
- Suplėšykite popierių į mažus gabalėlius ir padėkite juos ant lygaus paviršiaus.
- Trinkite balioną į vilną arba plaukus apie 10 sekundžių, kad jis įsikrautų.
- Laikykite įkrautą balioną šiek tiek virš popieriaus gabalėlių jų neliesdami.
- Priartinkite balioną arčiau ir stebėkite, kaip popierius šokinėja ant jo. Ką tai rodo: Įkrautas objektas sukuria elektrinį lauką, kuris traukia kitus krūvius, todėl popierius juda.
Svarbūs žodžiai
- Elektrinis krūvis: dalelių savybė, dėl kurios jos viena kitą traukia arba stumia.
- Elektrinis laukas: aprašymas, kaip erdvė šalia krūvio stumtų arba trauktų kitus krūvius (jėga krūvio vienetui).
- Kulono dėsnis: taisyklė, nurodanti jėgą tarp dviejų taškinių krūvių, atsižvelgiant į jų dydį ir atstumą.
- Bandomasis krūvis: labai mažas krūvis, naudojamas elektriniam laukui matuoti, jo daug nekeičiant.
Trumpi klausimai
Ar galite matyti elektrinį lauką?
Ne, negalite matyti lauko tiesiogiai, bet galite matyti jo poveikį, kai jis judina krūvius arba priverčia daiktus sulipti.
Ar elektriniai laukai atsiranda tik iš elektronų?
Ne, laukai atsiranda iš bet kokio elektros krūvio, įskaitant teigiamus krūvius (pvz., protonus) arba krūvių grupes.
Ar atstumas yra svarbus?
Taip, elektriniai laukai silpnėja kuo toliau nuo krūvio, nes jėga mažėja didėjant atstumui.
Ar elektriniai laukai yra tokie patys kaip magnetiniai laukai?
Jie yra susiję, bet skirtingi; elektriniai laukai atsiranda iš krūvių, o magnetiniai laukai – iš judančių krūvių arba besikeičiančių elektrinių laukų.