Fusha elektrike

Video që demonstron fushën elektrike

Në fizike, hapësira që rrethon një ngarkese elektrike ose në praninë e një fushe magnetike që ndryshon në kohë ka një veti që quhet fushë elektrike (e cila mund të barazohet me dendësinë e rrjedhës elektrike). Kjo fushe elektrike shkakton kërkesën e një force në çdo trup tjetër të ngarkuar elektrikisht. Koncepti i fushës elektrike u fut për herë të parë nga Majkëll Faradej.

Fusha elektrike është një fushe vektoriale me njësi në SI :njuton për kulon (N * C⁻¹) ose, në mënyrë të barasvlershme, volt për metër (V * m⁻¹). Fuqia e fushës në një pikë përcaktohet si forca që do të zbatohej mbi një ngarkesë provë pozitive me +1 kulomb të vendosur në atë pikë; drejtimi i fushës jepet nga drejtimi i forcës. Fusha elektrike përmban energji elektrike me një dendësi energjie që është e përpjesshme me katrorin e intensitetit të fushës. Fusha elektrike është për ngarkesën elektrike ashtu si është nxitimi gravitacional për masën dhe dendësia e forcës është për vëllimin.

Një ngarkese lëvizëse nuk ka vetëm një fushë elektrike po gjithashtu edhe një fushe magnetike, përgjithësisht fushat magnetike dhe elektrike nuk janë fenomene komplet të ndryshme; diçka që njeri mund ta perceptoje si fushe elektrike, një observator tjetër në një sistem reference tjetër e percepton si një bashkim të fushave elektrike dhe magnetike. Për këtë qellim, njeri mund të flasë për "elektromagnetizmin" ose për "fushat elektromagnetike." Në mekanikën kuantike, shqetësimet e fushës elektromagnetike quhen fotone, dhe energjia e fotoneve është e kuantizuar.

Përcaktimi

Mbi një thërrmije te ngarkuar ne prehje ne një fushe elektrike vepron një forca ne perpjetim te drejte me ngarkesën e cila jepet nga ekuacioni,

$\mathbf {F} =q[-\nabla \phi -{\frac {\partial \mathbf {A} }{\partial t}}]$

ku densiteti i fluksit magnetik jepet nga,

$\mathbf {B} =\nabla \times \mathbf {A}$

dhe ku $-\nabla \phi$ është forca e Kulombit. Ngarkesa elektrike është një karakteristike e disa thërrmija e elementare, ajo është e kuantizuar kur shprehet si një shumëfish i një ngarkese elementare te dhëne nga e. Elektronet me marrëveshje kanë një ngarkesë -1, kurse protonet kane ngarkese te kundërt +1. Kuraket kane ngarkese pjesore me −1/3 ose +2/3. Antithërrmijat e njëvlershme te këtyre kanë ngarkesë te kundërt.

Njësia SI për madhësinë e elektricitetit ose te ngarkesës elektrike është kulombi, i cili paraqet përafërsisht 1.60 × 10¹⁹ ngarkesa elementare (ngarkesa ne një elektron te vetëm ose ne një proton te vetëm). Kulombi përcaktohet si madhësia e ngarkesës qe kalon përmes një prerje -tërthore te një përcjellësi elektrik qe mban një amper për një sekonde. Simboli Q përdoret zakonisht për te treguar ngarkesën elektrike. Madhësia e ngarkesës elektrike mund te matet direkt me një elektrometër, ose indirekt me një galvanometër balistik.

Formalisht, një matje e ngarkesës duhet te jete një shumëfish i një ngarkese elementare e (ngarkesa është e kuantizuar), por meqenëse është një madhësi makroskopike, mesatare, shume here me e madhe se ngarkesa e një thërrmije elementare, ajo mund te marri çdo vlere reale. Për me tepër, ne disa raste është e zakonshme te flasim për një ngarkese thyesore ; psh. ne rastin e ngarkimit te kondensatorit.

Nëqoftesë thërrmija e ngarkuar mund te konsiderohet si një ngarkese pikësore, fusha elektrike përcaktohet si forca qe vepron mbi këtë ngarkese pikësore :

$\mathbf {E} ={\frac {\mathbf {F} }{q}}$

ku

$\mathbf {F}$ është forca elektrike qe vepron mbi thërrmijën

q është ngarkesa e saj

$\mathbf {E}$ është fusha elektrike ne pozicionin ku ndodhet thërrmija

E marre ne mënyre te drejtpërdrejte, ky ekuacion përcakton fushën elektrike vetëm ne pozicionet ku kemi ngarkesa stacionare mbi te cilat fusha mund te veproje. Për me tepër, forca e ushtruar nga një ngarkese tjetër $q$ e ndryshon shpërndarjen e ngarkesës, çka do te thotë se fusha elektrike ne prezencën e $q$ ndryshon nga vetvetja ne mungese te $q$. Megjithatë, fusha elektrike e një burimi shpërndarës mbetet e përcaktuar ne mungese te një ngarkese me te cilën ajo mund te bashkëveproje. Kjo arrihet duke matur forcën e ushtruar mbi thërrmija testuese te vogla te vendosura ne afërsi te burimit shpërndarës. Nga ky proces, fusha elektrike e krijuar nga një burim shpërndare i dhëne i ngarkesës përcaktohet si limiti kur thërrmija prove vete ne zero te forcës për njësi ngarkese te ushtruar mbi te.

$\mathbf {E} =\lim _{q\to 0}{\frac {\mathbf {F} }{q}}$

Kjo lejon fushën elektrike qe te varet vetëm te funksioni i shpërndarjes se ngarkesës.

Siç duket qarte nga përcaktimi, drejtimi i fushës elektrike është i njete me drejtimin e forcës qe ajo duhet te ushtroje mbi një thërrmije te ngarkuar pozitivisht, dhe e kundërt me drejtimin e forcës se ushtruar mbi një thërrmije te ngarkuar negativisht. Meqenëse ngarkesat e njëjta shtyhen dhe te kundërtat tërhiqen, fusha elektrike tenton qe te drejtohet tutje nga ngarkesat pozitive dhe drejt ngarkesave negative.

Energjia në fushën elektrike

((Kryesor|Energjia elektrike))

Fusha elektrike ka energji. Dendësia e energjisë së fushës elektrike është dhënë nga

$u={\frac {1}{2}}\varepsilon |\mathbf {E} |^{2}$

ku

$\varepsilon$ është permitiviteti i mjedisit në të cilën fushë ekziston

$\mathbf {E}$ është vektori i fushës elektrike.

Energjia totale të depozituara në fushën elektrike në një vëllim V dhënë këtë arsye është

$\int _{V}{\frac {1}{2}}\varepsilon |\mathbf {E} |^{2}\,\mathrm {d} V$

ku

$\mathrm {d} V$ është element diferencial volumit.

Paralele mes elektrostatikës dhe gravitetit

Ligji i Kulombit, i cili përshkruan bashkëveprimin e ngarkesave elektrike:

$\mathbf {F} ={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {Qq}{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}} =q\mathbf {E}$

është i ngjashëm me Ligji i gravitetit universal i Njutonit :

$\mathbf {F} =G{\frac {Mm}{r^{2}}}\mathbf {\hat {r}} =m\mathbf {g}$

Kjo tregon ngjashmëritë në mes të fushës elektrike $E$ dhe fushën gravitacionale $g$, kështu që nganjëherë masa quhet "ngarkese gravitacionale".

Ngjashmëritë midis forcave elektrostatike dhe gravitacionale:

1. Të Dyja veprojnë në një vakuum.
2. Të Dyja janë qendrore dhe konservative.
3. Të Dyja binden një Ligji i inversit katror (të dyja janë anasjelltas proporcional me katrorin e r).
4. Të Dyja përhapen me shpejtësi të fundme c.

Shiko gjithashtu

• Elektrostatika
• Elektrodinamika
• Ekuacionet e Maksuellit
• Magnetizmi

Lidhje të jashtme

• Fields Arkivuar 27 maj 2010 tek Wayback Machine - një kapitull nga një libër online
• Learning by Simulations Simulim interaktiv i fushës elektrike për katër pika ngarkesash
• Simulime ne Java electrostatics in 2-D dhe 3-D