..:: FIZYKA ::..

Elektryczność

Część VI
Centralne i jednorodne pole elektrostatyczne

Wprowadzenie

Z pojęciami centralnego i jednorodnego pola spotkaliśmy się już podczas omawiania grawitacji, dokładniej w temacie Cym jest I prędkość kosmiczna? Tutaj dla przypomnienia wspomnimy tylko, że pole grawitacyjne wytwarzają wokół siebie ciała posiadające masę oraz, że symbolicznie przedstawiamy je przy pomocy linii zbiegających się w punkcie dla pola centralnego i linii równoległych względem siebie dla pola jednorodnego. Na wszystkie ciała w polu grawitacyjnym działają siły skierowane zgodnie z kierunkiem linii pola.

Stosując pewną analogię do wspomnianego powyżej postaramy się teraz nieco dokładniej przedstawić nasze wyobrażenie na temat pola elektrostatycznego. Tutaj źródłem tego pola będzie zgromadzony na jakimś ciele ładunek elektryczny. Zwróćcie uwagę, że każde ciało musi posiadać masę a zatem wytwarza pole grawitacyjne. Jeśli równocześnie takie ciało posiada wypadkowy ładunek elektryczny, dodatkowo będzie wokół siebie wytwarzać pole elektryczne. Dzisiaj zajmiemy się tylko tym polem, które jest pochodną posiadanego przez ciało wypadkowego ładunku elektrycznego.

Centralne pole elektrostatyczne

Wyobraźmy sobie małych rozmiarów kulkę, na której zgromadziliśmy wypadkowy ładunek elektryczny. Raz naelektryzowaliśmy ją ładunkiem dodatnim „+” (zabraliśmy z niej część elektronów), kiedy indziej ładunkiem ujemnym „-” (dostarczyliśmy jej dodatkowych nadmiarowych elektronów). Teraz, zarówno w jednym jak drugim przypadku, kulka wytwarza wokół siebie centralne pole elektrostatyczne. Opisaną sytuację przedstawia rysunek poniżej.

Centralne pole elekrostatyczne

Przyglądając się powyższemu rysunkowi nasuwają się pytania.

  • Co to znaczy, że kulka wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne?
  • Jaka jest różnica między polami wytwarzanymi przez naładowaną kulkę w przedstawionych przypadkach?
  • Dlaczego pola ukazane w powyższych sytuacjach są nazywane centralnymi?

Najpierw postaramy się odpowiedzieć na pierwsze pytanie:

Właściwie jeśli przyglądać się samotnej naładowanej kulce niczego istotnego nie można zobaczyć. Niezależnie od tego czy posiada ładunek wypadkowy, czy jest elektrycznie obojętna, kulka oraz jej otoczenie nic ciekawego nie pokazują. Spojrzenie na problem nabiera dopiero innego charakteru, kiedy w jej pobliżu umieścimy mały próbny ładunek. Fizycy jako ładunku próbnego używają małej cząstki dodatniej. Małej dlatego, by swoją obecnością nie zniekształcała pola badanej kulki. Kiedy taki ładunek próbny umieścimy w pobliżu kulki elektrycznie obojętnej nic się nie dzieje. Nasz próbny ładunek spokojnie spoczywa. Kiedy jednak obserwowana kulka posiada ładunek wypadkowy, nasza cząstka próbna zaczyna się poruszać. Znaczy, że na cząstkę działa jakaś siła wzór (możemy nawet wyliczyć jej wartość z prawa Coulomba).

Krótko:
Jeśli, naelektryzowana kula wytwarza wokół siebie pole elektrostatyczne, to przestrzeń wokół niej ulega takiej zmianie, że inne znajdujące się w niej(w tym polu) naładowane ciała doznają działania sił.

Odpowiedź na drugie pytanie:

Jeśli w przestrzeni wokół na ładowanej kulki umieścimy ładunek próbny, rozpocznie on ruch zgodnie z kierunkiem i zwrotem działającej na niego siły wzór. Oznacza to, że swobodny dodatni ładunek próbny będzie się oddalał od dodatnio naładowanej kulki szkicując linię pola ze zwrotem od jego centrum, natomiast taki sam swobodny dodatni ładunek próbny będzie się przybliżał do ujemnie naładowanej kulki szkicując linię pola ze zwrotem do jego centrum.

Odpowiedź na trzecie pytanie nasuwa się sama:

Centralne pole elektrostatyczne ilustrujemy w postaci linii pola wychodzących z lub wchodzących do centrum tego pola. Linie takie naszkicowałby poruszający się ładunek próbny umieszczany za każdym razem w innym punkcie pola. Wraz z odległością od centrum linie pola są coraz rzadsze. Znaczy to, że gęstość pola lub inaczej jego natężenie wraz z odległością od centrum maleje.

Jednorodne pole elektrostatyczne

Poniższy rysunek przedstawia dwie naładowane płyty metalowe, każdą z ładunkiem przeciwnego znaku. Między tak ustawionymi płytami wytworzy się jednorodne pole elektrostatyczne.

Jednorodne pole elekrostatyczne

Jaka jest podstawowa właściwość takiego pola?

Zanim odpowiemy na postawione powyżej pytanie musimy zdać sobie sprawę że niezależnie od tego czy samotne metalowe płyty są odpowiednio naelektryzowane czy też nie, w pustej przestrzeni między nimi niczego ciekawego nie obserwujemy. Sprawa ulega zmianie gdy między płyty umieścimy dodatni ładunek próbny.

W przypadku kiedy płyty są elektrycznie obojętne ładunek ten spoczywa (dla uproszczenia zakładamy, że nie ma przyciągania grawitacyjnego, czyli doświadczenie przeprowadzamy w kosmicznej stacji badawczej z dala od mamy :)

Natomiast kiedy mamy do czynienia z przeciwnie naelektryzowanymi płytami, ładunek próbny zaczyna poruszać się po linii prostej od płyty z ładunkiem ujemnym do płyty z ładunkiem dodatnim (jeśli pominiemy grawitację). Dodatkowo porusza się dokładnie z takim samym przyspieszeniem niezależnie od tego czy startował będąc u góry, na dole, bardziej z lewej czy prawej strony. W każdym miejscu między naelektryzowanymi płytami na ładunek próbny działa siła wzór o takiej samej wartości, kierunku i zwrocie. Linie ruchu dla każdego z ładunków próbnych są równoległe i pokrywają się z kierunkiem linii pola.

Schematycznie pole jednorodne rysujemy w postaci linii prostych równoległych tak samo oddalonych od siebie. To oddaje wyobrażenie, że pole jest jednorodne, czyli w każdym miejscu posiada taką samą gęstość lub inaczej mówiąc posiada takie samo natężenie.

Uwaga:
W przypadku jednorodnego pola elektrostatycznego działającej siły na ładunek próbny nie możemy obliczyć z prawa Coulomba (to prawo ma zastosowanie tylko w przypadku wzajemnego oddziaływania dwóch ładunków – na przykład badanego i próbnego).

Jak obliczyć wartość siły działającej na ładunek próbny umieszczony w jednorodnym polu pokażemy w następnym temacie kiedy będziemy bliżej omawiać pojęcie natężenia pola elektrostatycznego.

Koniec części VI



..:: Elektryczność :: Spis treści ::..    ..:: Spis treści :: Elektryczność ::..

      »»»    Elektryczna budowa materii Część I
      »»»    Elektryzowanie przez pocieranie Część II
      »»»    Elektroskop jako narzędzie badawcze Część III
      »»»    Prawo Coulomba Część IV
      »»»    Elektryzowanie ciał przez indukcję Część V
      »»»    Zasada zachowania ładunku elektrycznego Część VI
      »»»    Centralne i jednorodne pole elektrostatyczne Część VII
      »»»    Natężenie pola elektrostatycznego Część VII

Jeśli masz jakieś uwagi, pytania odnośnie tego działu skorzystaj z
forum fizyka

GÓRA         SZKOŁA         

©2007-2016 Licencja Creative Commons