Jakou charakteristikou elektrického pole je intenzita?
Elektrické pole je jev studovaný klasickou elektrodynamikou. Pojem „elektrické pole“ je spolu s magnetickými a elektromagnetickými poli jedním ze základních v moderní fyzikální vědě. Pomocí tohoto termínu a pojmu elektrický náboj lze popsat mnohem větší množství přírodních jevů, než by se člověku neznalému fyziky mohlo zdát.
Obecná charakteristika
Elektrické pole je specifický typ hmoty tvořený mikrotělesy, která mají náboje. Nejedná se však pouze o soubor nabitých těles: tento termín také označuje mikropole, které tvoří každé nabité těleso v prostoru. Je to kombinace těchto mikropolí, která vytváří elektrická pole v našem obvyklém chápání.
Existence a nepřetržité fungování elektrického pole je způsobeno nepřetržitou interakcí částic s náboji, během níž si navzájem přímo předávají elektromagnetickou energii prostřednictvím elektrických polí, která každou z nich obklopují. Graficky by elektrické pole mělo být znázorněno jako schematický soubor čar, nazývaných ve fyzikální vědě siločáry.
Díky výdobytkům moderní fyziky víme, že elektrické síly vysvětlují všechny chemické a fyzikální vlastnosti látek, od atomu až po živočišnou buňku. Přírodovědci, kteří položili základy vědeckého poznání elektrického pole, byli Andre-Marie Ampère, Michael Faraday a James Clerk Maxwell.
Elektrický náboj
Koncept elektrického náboje zaujímá ústřední místo v klasické teorii elektromagnetismu. Elektrický náboj ve fyzice je veličina, která charakterizuje schopnost objektů vstupovat do elektrických interakcí. Je třeba zdůraznit, že tělesa s podobnými náboji se vždy odpuzují a tělesa s opačnými náboji se navzájem přitahují.
Základní charakteristikou náboje je jeho dvojí povaha: náboje mohou být kladné i záporné. Všechna nabitá tělesa tedy fyzikové konvenčně rozdělují na dva podtypy, přičemž všechna tělesa jednoho podtypu se navzájem odpuzují, ale přitahují tělesa druhého podtypu. Pokud například částice A odpuzuje částici B, ale částice A přitahuje částici C, pak částice B bude přitahovat také částici C.
Fyzici stále nepřišli na to, proč mají tělesa tuto globální, univerzální a při bližším zkoumání elementární vlastnost. Pojmy „negativní náboj“ a „pozitivní náboj“ jsou však opačnými projevy stejné kvality.
Nabitá částice se vždy rodí v párech s částicí opačného náboje. Například pár kladně a záporně nabitých elektronů (pozitron a negatron) vzniká rozpadem fotonu. Během tohoto procesu nedochází ke změně náboje, jinými slovy, změna náboje je nulová před a po „transformaci“ fotonu.
Abychom pochopili, co je podstatou dané skalární veličiny a z čeho se skládá elektrická hmota, měli bychom studovat dvě základní vlastnosti elektrického náboje: kvantování a zachování náboje.
Princip kvantování náboje
Dokonce i začínající fyzik ví: v přírodě se elektrické náboje skládají z diskrétních nábojů, které mají konstantní hodnotu, která je charakterizována jako náboj elektronu a je označena symbolem e Například kladný náboj pozitronu a záporný náboje negatronu mají stejnou velikost. Kvantování náboje je přirozené vyrovnání velikostí nábojů dvou opačně nabitých částic. Důležitým pojmem v kvantizační terminologii je diskrétnost náboje. Podle nejnovějších fyzikálních teorií je náboj kvantovaný, to znamená, že má vlastnost diskrétnosti: jeden náboj se skládá z minimálních částí nábojů, které nelze dále dělit.
Princip zachování náboje
Tento princip vyplývá z povahy „zrození“ dvou světových těles s opačnými náboji. Toto je základní empirický zákon, který nemá žádné rozpory v žádné z dosud provedených studií. Doslova princip zachování říká: v uzavřeném systému zůstává elektrický náboj, který má také jiný název – algebraický součet dvou na rozdíl od nábojů, konstantní.
Coulombova síla
Coulombův koncept charakterizuje interakci mezi dvěma náboji, které jsou v klidu. Říká: dva nepohyblivé náboje se odpuzují nebo přitahují silou, která je přímo úměrná součinu velikostí nábojů, ale je inverzní k druhé mocnině délky vzdálenosti mezi těmito náboji. Současně se síla interakce mezi dvojicí nábojů nemůže změnit v přítomnosti třetího.
Pomocí Coulombova principu může přírodovědec nalézt rovnovážný stav v situaci volného pohybu nábojů pod vlivem síly jiného typu, ve kterém budou náboje rozloženy s konstantním koeficientem. Coulombova síla je předurčena třetím Newtonovým zákonem, který říká, že náboje na sebe působí silami, které jsou stejné velikosti, ale opačného směru.
Superpozice polí
Coulombův zákon a všechna tvrzení z něj vyplývající jsou pouze základem pro další, větší princip – zákon superpozice. Na základě tohoto zásadního tvrzení jsou síly působící na náboje, z nichž každý se nachází v určitém bodě jednotné soustavy, součtem sil, které mají striktní směr a jsou tvořeny jednotlivými skupinami nábojů samostatně a ovlivňují náboje. v konkrétních bodech.
Na rozdíl od Coulombova zákona nemusí princip superpozice stačit pro některé kvantové jevy v elektrickém poli.
Teorie krátkého dosahu
Podle teorie interakce krátkého dosahu přenášejí elektrické náboje své interakce pomocí speciálních hmotných zprostředkujících částic a vznikají konečnou rychlostí.
Zakladateli teorie krátkého dosahu v klasické fyzice jsou filozof a fyzik René Descartes a přírodovědec Michael Faraday. V rámci tohoto konceptu se obecně uznává, že částice, které jsou prostředníky v procesu přenosu interakcí, se pohybují přesně definovanou rychlostí, která směřuje k rychlosti světla.
Nosiče, neboli zprostředkující tělesa, která přenášejí interakci nábojů, jsou kvanta elektrického pole pohybující se rychlostí světla.
Elektrická kapacita, kondenzátor a intenzita elektrického pole
Hodnota C, která se rovná náboji q, který musí být vodiči předán, aby se zvýšil jeho potenciál, se nazývá elektrická kapacita.
Elektrická kapacita popisuje inertnost nabité látky, která může vést elektrický proud, nebo jinými slovy její odolnost vůči nárůstu potenciálu.
Vzorec, který charakterizuje princip elektrické kapacity systému:
Velikost a tvar vodiče určuje hodnotu elektrické kapacity, stejně jako vlastnosti dielektrika, které odděluje vodiče. Ve fyzice je důležitý jeden typ systému, který koncentruje elektrické pole na určité místo v prostoru. Říká se mu „kondenzátor“, který se zase skládá z vodičů nazývaných desky.
Tento typ systému je konfigurací vodičů, která se skládá ze dvou plochých vodivých desek umístěných vzájemně paralelně v malé vzdálenosti a vymezených dielektrickou vrstvou.
Síla elektrického pole
Síla elektrického pole je po elektrickém náboji druhým nejdůležitějším pojmem v teorii elektřiny. Pokud přírodovědec ví vše alespoň o těchto dvou pojmech, bude schopen provádět jednoduché experimenty s elektřinou a podpořit je znalostmi z kurzu elementární fyziky.
Napětí je síla působící na jeden statický náboj. Na základě obecně uznávaných norem můžeme říci, že intenzita elektrického pole je označena symbolem E. Za zmínku stojí, že intenzita je vektorová veličina a elektrický náboj je veličina skalární.
Potenciální energie elektrického náboje a potenciální pole
Náboje vyplňují elektrické pole. Pohybují se po některých uzavřených trajektoriích. Velikost práce jejich sil je rovna nule, a proto se těmto silám (neboli silová pole) říká potenciální. Předpokládá se, že některé typy elektrických polí, zejména elektrostatické pole, mají zpočátku vlastnost potenciálu. Toto je ověřená teorie a nevyžaduje nový výzkum.
Potenciální energie
Díky vlastnosti potenciálu mohou fyzici soudit, že potenciální energie je vlastní každému elektrickému náboji v určitém poli. Tento princip lze názorně znázornit následovně: v prostoru existuje specifický bod, do kterého lze přesunout specifický náboj, jehož hodnota potenciální energie bude rovna nule.
Napájecí vedení
Koncept jeho siločar vyplývá ze zákona potenciálu pole. Ve skutečnosti takové předměty v hmotné podobě neexistují. Je to grafický nástroj, který vám umožňuje znázornit elektrické pole pro vizuální schematické pozorování a výzkum. Znázorněním hustoty a počtu čar lze ilustrovat směr intenzity pole a také jeho velikost.
Elektrický dipól
Tento termín označuje základní výběr bodových poplatků, které mají systémové charakteristiky. Dipól je součet nábojů, které jsou opačné, ale stejné velikosti a posunuté jeden od druhého do určité vzdálenosti.
Existují různé dipóly, ale fyzikální věda věnuje největší pozornost bodovým dipólům. Tak se nazývají dipóly, které se vyznačují zanedbatelnou vzdáleností od záporného náboje ke kladnému. Pokud je teoreticky sbírka nábojů rozdělena na mnoho částí, lze ji považovat za systém elektrických dipólů.
Stručná historie studia elektrického pole
Předpokládá se, že inženýr a fyzik Charles Coulomb se stal prvním výzkumníkem interakce statických nábojů. Byl to on, kdo odvodil princip jejich interakce. Základem Coulombova výzkumu byla teorie gravitační interakce Isaaca Newtona.
Hans Oersted se stal vědcem, který objevil magnetické vlastnosti elektrického proudu a pole, a díky Jamesi Maxwellovi víme, že elektrické pole nemůže existovat bez magnetického pole, které ho indukuje. Maxwell také schválil koncept elektromagnetických interakcí krátkého dosahu.
Elektrické pole se však stalo předmětem lidského výzkumu dávno před nedávnými staletími. Thales z Milétu v 7. století před naším letopočtem prozkoumal povahu statické elektřiny.
Na konci 19. století objevil Joseph Thomson elektron, „živý“ příklad nositele elektřiny. O několik let později Ernst Rutherford prokázal místo ve struktuře atomů, kde se nacházejí elektrony.
Vliv elektrického pole na život a zdraví člověka
Elektrické pole je nízkofrekvenční vlna, která vytváří náboj na lidském těle a zůstává v poměrně malé vzdálenosti od jeho povrchu. Proudy protékající v lidském těle mohou vlivem polí se střídavým elektrickým proudem měnit směr svého pohybu. Z tohoto důvodu někteří lidé cítí, jak se jim hýbou vlasy, když jsou v blízkosti nadzemního vedení střídavého proudu.
Elektrické pole může člověku způsobit nenapravitelné škody. Obecně se negativní účinky elektřiny objevují, když lidé pravidelně používají mobilní telefony.
Dalším příkladem možného pozorování elektrického pole v běžném životě je jeho výskyt v blízkosti displejů televizorů s kineskopem. Pokud přiblížíte ruku k obrazovce takového televizního přijímače, zdá se, že se vám na ní „vstávají chlupy“. K tomuto jevu dochází právě vlivem elektrického pole.
Doporučuji také zhlédnout přednášku profesora na téma „Elektrické pole“: