Pole elektryczne

Gdy dwa ładunki dodatnie q₁ i q₂ umieścimy od siebie w pewnej odległości, to zgodnie z prawem Coulomba ładunki te będą na siebie oddziaływać odpychającymi siłami elektrostatycznymi. Ale skąd właściwie każdy z tych ładunków “wie”, że ma sąsiada, na którego może oddziaływać? Okazuje się, że każde naładowane ciało, a więc ciało posiadające niezrównoważony ładunek elektryczny, wytwarza w otaczającej go przestrzeni pewne pole nazywane polem elektrycznym.

Pole elektryczne – opis

Autorem koncepcji pola elektrycznego jest angielski fizyk i chemik Michael Faraday (1791 – 1867). Pole elektryczne w dowolnym punkcie przestrzeni wokół naładowanego ciała, możemy scharakteryzować za pomocą wektora o określonej wartości, kierunku oraz zwrocie. Pole elektryczne jest polem wektorowym, dlatego też chcąc dokładnie je opisać musimy określić rozkład wektorów (tj. podać wartość, kierunek i zwrot wektorów) dla każdego punktu przestrzeni wokół naładowanego ciała.

Natężenie pola elektrycznego – definicja

Podstawową wielkością fizyczną opisującą pole elektryczne jest natężenie pola elektrycznego. Aby określić wartość natężenia pola elektrycznego $\vec{E}$ w dowolnym punkcie leżącym w pobliżu naładowanego ciała np. w punkcie A położonego w sąsiedztwie ładunku dodatniego Q (zobacz poniższy rysunek) musimy postąpić następująco: w punkcie A umieszczamy dodatni ładunek q, nazywany ładunkiem próbnym, a następnie mierzymy siłę elektrostatyczną $\vec{F}$, z jaką ładunek Q działa na ładunek próbny q.

sposób wyznaczania natężenia pola elektrycznego w dowolnym punkcie przestrzeni - rysunek schematyczny - pole elektryczne — a) Aby wyznaczyć natężenie pola elektrycznego w punkcie A, leżącego w pobliżu dodatniego ładunku Q, umieszczamy w tym punkcie dodatni ładunek próbny q. Na ładunek ten działa odpychająca siła elektrostatyczna $\vec{F}$. b) Wektor $\vec{E}$ o początku w punkcie A, reprezentuje natężenie pola elektrycznego w punkcie A wytworzonego przez ładunek Q.

Natężenie pola elektrycznego

Natężenie pola elektrycznego $\vec{E}$ jest równe stosunkowi siły $\vec{F}$ działającej na ładunek próbny q do wartości tego ładunku: $$\vec{E} = \dfrac{\vec{F}}{q}$$

Zwrot i kierunek wektora natężenia pola elektrycznego $\vec{E}$ jest taki sam, jak zwrot i kierunek wektora siły $\vec{F}$ działającej na ładunek próbny (w tym przypadku siła $\vec{F}$, pochodząca od ładunku Q, odpycha dodatni ładunek próbny q ).

Natężenie pola elektrycznego – jednostka

Jak wynika z powyższego wzoru, jednostką natężenia pola elektrycznego w układzie SI jest niuton na kulomb (N/C). Niekiedy możesz się także spotkać z równoważną jednostką natężenia pola elektrycznego, którą jest wolt na metr (V/m).

Ważna uwaga

Istnienie pola elektrycznego wokół naładowanego ciała nie zależy od obecności ładunku próbnego. Ładunek ten został tu wprowadzony tylko po to, abyś mógł (mogła) sobie wyobrazić w jaki sposób pole elektryczne oddziałuje na inne naładowane ciała.

Jednorodne i niejednorodne pole elektryczne

Gdy wektory natężenia pola elektrycznego $\vec{E}$ w każdym punkcie przestrzeni wokół naładowanego ciała mają taką samą wartość, kierunek oraz zwrot, to wówczas pole elektryczne wytworzone przez takie ciało, nazywamy jednorodnym. Gdy wektory $\vec{E}$ mają różną wartość, kierunek i zwrot mówimy wówczas o niejednorodnym polu elektrycznym – więcej informacji na temat jednorodnego i niejednorodnego pola elektrycznego znajdziesz w artykule Linie pola elektrycznego.

Pole elektryczne ładunku punktowego

Gdy do wzoru na natężenie pola elektrycznego $\vec{E}$ wstawimy w miejsce siły $\vec{F}$ zależność opisującą wartość siły oddziaływania elektrostatycznego, z jaką ładunek Q działa na ładunek próbny q :

$$F = k \hspace{.05cm} \dfrac{|Q| \hspace{.05cm} |q|}{r^2}$$

dostaniemy wyrażenie pozwalające obliczyć wartość natężenia pola elektrycznego wokół ładunku Q w dowolnym punkcie odległym od niego o r :

$$E = \dfrac{F}{q} = k \hspace{.05cm} \dfrac{|Q| \hspace{.05cm} |q|}{q \hspace{.05cm} r^2} = k \hspace{.05cm} \dfrac{|Q|}{r^2}$$

gdzie r to odległość między środkiem ładunku Q a wybranym przez nas punktem.

Wypadkowe natężenie pola elektrycznego

W przypadku istnienia wielu dodatnich i/lub ujemnych ładunków elektrycznych, całkowite natężenie pola elektrycznego $\vec{E}_C$ w dowolnym punkcie przestrzeni, obliczamy stosując poniższe wyrażenie:

$$\vec{E}_C = \vec{E}_1 + \vec{E}_2 + … + \vec{E}_n = \sum_{i = 1}^{n} \vec{E}_i$$

gdzie $\vec{E}_i$ to natężenie pola elektrycznego jakie, w pewnym punkcie przestrzeni, wytworzyłby tylko sam ładunek q_i .