Elektrotechnika - to nie takie trudne! (część 1)

Pole elektryczne

Zanim je zdefiniujemy, nie obejdzie się jednak bez wytłumaczenia kilku innych, istotnych pojęć. Zajmiemy się ładunkiem elektrycznym. Jak już wspominałem, najmniejszym nosicielem ładunku elektrycznego jest elektron. Ponieważ przyjęto, że jest to ładunek ujemny, to najprostsza i intuicyjna definicja ładunku danego ciała (cząstki) sprowadza się do nadmiaru lub niedomiaru zawartych w nim elektronów. Nadmiar elektronów powoduje, że ciało jest naładowane ujemnie, a ich niedomiar - dodatnio. O wartości ładunków można wnioskować na podstawie siły ich wzajemnego oddziaływania na siebie. Siłę tą można obliczyć z prawa Coulomba:

gdzie:

q₁ i q₂ - wartość ładunków

ε - tzw. bezwzględna przenikalność elektryczna materiału, w którym umieszczono ładunki

r - odległość pomiędzy ładunkami

- tzw. współczynnik racjonalizacji, będący efektem ustaleń układu SI

Dokładniejszego wyjaśnienia wymaga przenikalność ε. W próżni (praktycznie w powietrzu też) bezwzględna przenikalność elektryczna wynosi:

natomiast wyrażenie:

nazywa się względną przenikalnością elektryczną. Wskazuje ono, ile razy siła wzajemnego oddziaływania między ładunkami w danym ośrodku jest mniejsza niż w próżni.

Jak widać, siła obliczona z prawa Coulomba jest wprost proporcjonalna do wartości ładunków oraz odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiędzy nimi. Należy jedynie pamiętać, że ciała z jednakowymi ładunkami odpychają się, a z przeciwnymi - przyciągają.

Wzór nie tłumaczy jednak dlaczego tak się dzieje. Intuicja podpowiada, że istotą każdego ładunku elektrycznego jest otaczające go pole elektryczne. Jest ono niewidoczne, ale fakt jego istnienia można potwierdzić doświadczalnie i to ono wywołuje oddziaływanie na siebie ładunków. Każde pole elektryczne charakteryzuje się wektorem jego natężenia. Natężeniem pola elektrycznego E nazywa się stosunek siły, z którą pole działa na umieszczony w nim punktowy ładunek próbny, do wartości tego ładunku. Innymi słowy: na dowolny ładunek punktowy q, umieszczony w polu elektrycznym o natężeniu E, pole oddziałuje z siłą:

f = q*E

Siła ta jest niezależna od tego, od jakich ładunków pochodzi pole. Przypominam, że jednostką natężenia pola elektrycznego jest wolt na metr (V/m).

W celu stworzenia geometrycznej interpretacji pola elektrycznego wprowadzone zostało pojęcie linii natężenia pola elektrycznego (linii sił). Są to linie, w których każdym punkcie wektor natężenia pola E jest skierowany stycznie do linii. Wyjaśnia to rysunek poniżej.