Características do campo elétrico

O artigo descreve as principais características do campo elétrico: potencial, tensão e intensidade.

O que é um campo elétrico

Para criar um campo elétrico, é necessário criar uma carga elétrica. As propriedades do espaço ao redor das cargas (corpos carregados) diferem das propriedades do espaço em que não há cargas. Ao mesmo tempo, as propriedades do espaço, quando uma carga elétrica é introduzida nele, não mudam instantaneamente: a mudança começa na carga e se espalha com uma certa velocidade de um ponto a outro do espaço.

Num espaço que contém uma carga, manifestam-se as forças mecânicas que atuam sobre outras cargas introduzidas nesse espaço. Essas forças não são o resultado da ação direta de uma carga sobre outra, mas da ação através de um meio qualitativamente alterado.

O espaço ao redor das cargas elétricas, no qual se manifestam as forças que atuam sobre as cargas elétricas nela introduzidas, é chamado de campo elétrico.

Uma carga em um campo elétrico se move na direção da força que age sobre ela do lado do campo.O estado de repouso de tal carga só é possível quando alguma força externa (externa) é aplicada à carga que equilibra a força do campo elétrico.

Assim que o equilíbrio entre a força externa e a intensidade do campo é perturbado, a carga começa a se mover novamente. A direção de seu movimento sempre coincide com a direção da força maior.

Para maior clareza, o campo elétrico é geralmente representado pelas chamadas linhas de campo elétrico. Essas linhas coincidem com a direção das forças que atuam no campo elétrico. Ao mesmo tempo, convencionou-se traçar tantas linhas que seu número para cada 1 cm2 de área instalada perpendicularmente às linhas fosse proporcional à intensidade do campo no ponto correspondente.

A direção do campo é geralmente tomada como sendo a direção da força do campo atuando em uma carga positiva colocada em um determinado campo. Cargas positivas são repelidas por cargas positivas e atraídas por cargas negativas. Portanto, o campo é direcionado de cargas positivas para negativas.

A direção das linhas de força é indicada nos desenhos por setas. A ciência provou que as linhas de força de um campo elétrico têm um começo e um fim, ou seja, não se fecham sozinhas. Com base na direção assumida do campo, descobrimos que as linhas de força começam com cargas positivas (corpos carregados positivamente) e terminam com cargas negativas.

Arroz. 1. Exemplos de uma imagem de um campo elétrico usando linhas de força: a — um campo elétrico com uma única carga positiva, b — um campo elétrico com uma única carga negativa, c — um campo elétrico de duas cargas opostas, d — um campo elétrico de duas cargas iguais

Na fig.1 mostra exemplos de um campo elétrico representado usando linhas de força. Deve ser lembrado que as linhas de campo elétrico são apenas uma forma de representar graficamente um campo. Não há substância maior para o conceito de linha de força aqui.

lei de Coulomb

A força da interação entre duas cargas depende do tamanho e arranjo mútuo das cargas, bem como das propriedades físicas de seu ambiente.

Para dois corpos físicos eletrificados, cujas dimensões são insignificantes em comparação com a distância entre os corpos, a cura da interação é determinada matematicamente da seguinte forma:

onde F é a força de interação das cargas em newtons (N), k — distância entre as cargas em metros (m), Q1 e Q2 — magnitude das cargas elétricas em coulombs (k), k é o coeficiente de proporcionalidade, cujo valor depende das propriedades do meio que envolve as cargas.

A fórmula acima é assim: a força de interação entre duas cargas pontuais é diretamente proporcional ao produto das magnitudes dessas cargas e inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas (lei de Coulomb).

Para determinar o fator de proporcionalidade k, use a expressão k = 1 /(4πεεО).

Potencial de campo elétrico

Um campo elétrico sempre transmite movimento a uma carga se as forças de campo que atuam sobre a carga não forem equilibradas por nenhuma força externa. Isso implica que o campo elétrico tem energia potencial, ou seja, a capacidade de realizar trabalho.

Ao mover uma carga de um ponto a outro no espaço, o campo elétrico realiza trabalho, resultando em uma diminuição do fornecimento de energia potencial ao campo.Se uma carga se move em um campo elétrico sob a ação de alguma força externa agindo em oposição às forças do campo, então o trabalho não é feito pelas forças do campo elétrico, mas por forças externas. Nesse caso, a energia potencial do campo não apenas não diminui, mas, ao contrário, aumenta.

O trabalho realizado por uma força externa movendo uma carga em um campo elétrico é proporcional à magnitude das forças de campo que se opõem a esse movimento. O trabalho realizado neste caso por forças externas é inteiramente gasto no aumento da energia potencial do campo. Para caracterizar o campo do lado de sua energia potencial, uma quantidade chamada potencial de campo elétrico é chamada.

A essência desta quantidade é a seguinte. Suponha que a carga positiva esteja fora do campo elétrico considerado. Isso significa que o campo praticamente não tem efeito sobre a carga fornecida. Deixe uma força externa introduzir essa carga no campo elétrico e, vencendo a resistência ao movimento exercida pelas forças do campo, mova a carga para um determinado ponto do campo. O trabalho realizado pela força e, portanto, a quantidade pela qual a energia potencial do campo aumentou, depende inteiramente das propriedades do campo. Portanto, este trabalho pode caracterizar a energia de um determinado campo elétrico.

A energia do campo elétrico relacionada a uma unidade de carga positiva colocada em um determinado ponto do campo é chamada de potencial de campo em um determinado ponto.

Se o potencial for indicado pela letra φ, a carga pela letra q e o trabalho gasto para mover a carga por W, então o potencial de campo em um determinado ponto será expresso pela fórmula φ = W / q.

Segue-se que o potencial do campo elétrico em um determinado ponto é numericamente igual ao trabalho realizado por uma força externa quando uma unidade de carga positiva se move para fora do campo em direção a um determinado ponto. O potencial de campo é medido em volts (V). Se durante a transferência de um coulomb de eletricidade fora do campo para um determinado ponto, as forças externas realizaram um trabalho igual a um joule, então o potencial em um determinado ponto do campo é igual a um volt: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Força do campo elétrico

Em qualquer campo elétrico, as cargas positivas se movem de pontos de maior potencial para pontos de menor potencial. Pelo contrário, as cargas negativas movem-se de pontos de menor potencial para pontos de maior potencial. Em ambos os casos, o trabalho é realizado às custas da energia potencial do campo elétrico.

Se conhecermos esse trabalho, ou seja, a quantidade pela qual a energia potencial do campo diminuiu quando a carga positiva q se move do ponto 1 do campo para o ponto 2, fica fácil encontrar a tensão entre esses pontos do campo. campo U1,2:

U1,2 = A/q,

onde A é o trabalho realizado pelas forças de campo quando a carga q é transferida do ponto 1 para o ponto 2. A tensão entre dois pontos no campo elétrico é numericamente igual ao trabalho realizado por zero para transferir uma unidade de carga positiva de um ponto no campo para outro.

Como pode ser visto, a tensão entre dois pontos do campo e a diferença de potencial entre os mesmos pontos representam a mesma unidade física... Portanto, os termos tensão e diferença de potencial são os mesmos. A tensão é medida em volts (V).

A tensão entre dois pontos é igual a um volt se, ao transferir um coulomb de eletricidade de um ponto a outro do campo, as forças do campo realizam um trabalho igual a um joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Força do campo elétrico

Segue-se da lei de Coulomb que a intensidade do campo elétrico de uma determinada carga atuando sobre outra carga colocada neste campo não é a mesma em todos os pontos do campo. O campo elétrico em qualquer ponto pode ser caracterizado pela magnitude da força com que atua sobre uma unidade de carga positiva colocada em um determinado ponto.

Conhecendo este valor, pode-se determinar a força F que atua sobre cada carga Q. Você pode escrever que F = Q x E, onde F é a força que atua sobre a carga Q colocada em um ponto do campo pelo campo elétrico, E é a força que age sobre uma carga positiva unitária colocada no mesmo ponto do campo. A quantidade E numericamente igual à força experimentada por uma unidade de carga positiva em um determinado ponto do campo é chamada de intensidade do campo elétrico.