कैसे सिद्ध करें कि विद्युत क्षेत्र भौतिक है? इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र

एक विद्युत क्षेत्र, प्राथमिक भौतिक अवधारणाओं के अनुसार, एक विशेष प्रकार के भौतिक वातावरण से अधिक कुछ नहीं है जो आवेशित निकायों के आसपास उत्पन्न होता है और एक निश्चित सीमित गति पर और सख्ती से सीमित स्थान में ऐसे निकायों के बीच बातचीत के संगठन को प्रभावित करता है।

यह लंबे समय से सिद्ध है कि विद्युत क्षेत्र स्थिर और गतिमान दोनों पिंडों में उत्पन्न हो सकता है। इसकी उपस्थिति का मुख्य संकेत इसका प्रभाव है

मुख्य मात्रात्मक में से एक "क्षेत्र शक्ति" की अवधारणा है। संख्यात्मक शब्दों में, इस शब्द का अर्थ उस बल का अनुपात है जो परीक्षण चार्ज पर सीधे इस चार्ज की मात्रात्मक अभिव्यक्ति पर कार्य करता है।

तथ्य यह है कि चार्ज परीक्षण है इसका मतलब है कि यह स्वयं इस क्षेत्र के निर्माण में कोई हिस्सा नहीं लेता है, और इसका मूल्य इतना छोटा है कि इससे मूल डेटा में कोई विकृति नहीं आती है। क्षेत्र की ताकत V/m में मापी जाती है, जो परंपरागत रूप से N/C के बराबर है।

प्रसिद्ध अंग्रेजी शोधकर्ता एम. फैराडे ने विद्युत क्षेत्र को ग्राफिक रूप से प्रस्तुत करने की विधि को वैज्ञानिक उपयोग में लाया। उनकी राय में इस विशेष प्रकार के पदार्थ को चित्र में सतत रेखाओं के रूप में दर्शाया जाना चाहिए। बाद में उन्हें "विद्युत क्षेत्र की तीव्रता रेखाओं" के रूप में जाना जाने लगा और उनकी दिशा, बुनियादी भौतिक नियमों के आधार पर, तीव्रता की दिशा से मेल खाती है।

मोटाई या घनत्व जैसे तनाव की गुणात्मक विशेषताओं को दिखाने के लिए बल की रेखाएँ आवश्यक हैं। इस मामले में, तनाव रेखाओं का घनत्व प्रति इकाई सतह पर उनकी संख्या पर निर्भर करता है। फ़ील्ड लाइनों की बनाई गई तस्वीर आपको इसके अलग-अलग वर्गों में फ़ील्ड ताकत की मात्रात्मक अभिव्यक्ति निर्धारित करने की अनुमति देती है, साथ ही यह भी पता लगाती है कि यह कैसे बदलती है।

डाइलेक्ट्रिक्स के विद्युत क्षेत्र में काफी दिलचस्प गुण हैं। जैसा कि ज्ञात है, डाइलेक्ट्रिक्स ऐसे पदार्थ हैं जिनमें व्यावहारिक रूप से कोई मुक्त आवेशित कण नहीं होते हैं, इसलिए, परिणामस्वरूप, वे संचालन करने में सक्षम नहीं होते हैं। ऐसे पदार्थों में सबसे पहले, सभी गैसें, चीनी मिट्टी की चीज़ें, चीनी मिट्टी के बरतन, आसुत जल, अभ्रक शामिल होना चाहिए। , वगैरह।

ढांकता हुआ में क्षेत्र की ताकत निर्धारित करने के लिए, एक विद्युत क्षेत्र को इसके माध्यम से पारित किया जाना चाहिए। इसके प्रभाव में, ढांकता हुआ में बाध्य आवेश स्थानांतरित होने लगते हैं, लेकिन वे अपने अणुओं की सीमा को छोड़ने में सक्षम नहीं होते हैं। दिशात्मक विस्थापन का तात्पर्य यह है कि धनात्मक आवेश वाले विद्युत क्षेत्र की दिशा में विस्थापित होते हैं, और ऋणात्मक आवेश वाले विद्युत क्षेत्र की दिशा में विस्थापित होते हैं। इन जोड़तोड़ों के परिणामस्वरूप, ढांकता हुआ के अंदर एक नया विद्युत क्षेत्र प्रकट होता है, जिसकी दिशा बाहरी के ठीक विपरीत होती है। यह आंतरिक क्षेत्र बाहरी क्षेत्र को काफ़ी कमज़ोर कर देता है, इसलिए, बाद वाले का तनाव कम हो जाता है।

क्षेत्र की ताकत इसकी सबसे महत्वपूर्ण मात्रात्मक विशेषता है, जो उस बल के सीधे आनुपातिक है जिसके साथ यह विशेष प्रकार का पदार्थ बाहरी विद्युत आवेश पर कार्य करता है। इस तथ्य के बावजूद कि इस मान को देखना असंभव है, तनाव की क्षेत्र रेखाओं के चित्र की सहायता से आप अंतरिक्ष में इसके घनत्व और दिशा का अंदाजा लगा सकते हैं।

हम हमेशा एक मध्यवर्ती माध्यम का उपयोग करके दूर की घटनाओं के बारे में संकेत प्राप्त करते हैं। उदाहरण के लिए, टेलीफोन संचार विद्युत तारों का उपयोग करके किया जाता है, दूरी पर भाषण संचरण हवा में फैलने वाली ध्वनि तरंगों का उपयोग करके होता है।

(ध्वनि वायुहीन अंतरिक्ष में यात्रा नहीं कर सकती)। चूँकि सिग्नल की घटना हमेशा एक भौतिक घटना होती है, इसका प्रसार, अंतरिक्ष में एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ऊर्जा के स्थानांतरण से जुड़ा होता है, जो केवल भौतिक वातावरण में ही हो सकता है।

सबसे महत्वपूर्ण संकेत है कि एक मध्यवर्ती माध्यम सिग्नल ट्रांसमिशन में शामिल है, स्रोत से पर्यवेक्षक तक सिग्नल प्रसार की अंतिम गति है, जो माध्यम के गुणों पर निर्भर करती है। उदाहरण के लिए, हवा में ध्वनि लगभग 330 मीटर/सेकेंड की गति से यात्रा करती है।

यदि प्रकृति में ऐसी घटनाएँ होती हैं जिनमें संकेतों के प्रसार की गति असीम रूप से बड़ी होती है, यानी, एक संकेत तुरंत एक शरीर से दूसरे शरीर में उनके बीच किसी भी दूरी पर प्रेषित होता है, तो इसका मतलब यह होगा कि शरीर एक दूसरे पर कार्य कर सकते हैं दूरी और उनके बीच पदार्थ की अनुपस्थिति में। भौतिकी में पिंडों के एक-दूसरे पर पड़ने वाले इस प्रभाव को लंबी दूरी की क्रिया कहा जाता है। जब पिंड अपने बीच स्थित पदार्थ की सहायता से एक दूसरे पर कार्य करते हैं, तो उनकी परस्पर क्रिया को लघु-दूरी क्रिया कहा जाता है। नतीजतन, घनिष्ठ संपर्क के दौरान, शरीर सीधे भौतिक वातावरण को प्रभावित करता है, और यह वातावरण पहले से ही दूसरे शरीर को प्रभावित करता है।

मध्यवर्ती माध्यम के माध्यम से एक शरीर के प्रभाव को दूसरे शरीर में स्थानांतरित करने में कुछ समय लगता है, क्योंकि भौतिक वातावरण में कोई भी प्रक्रिया एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक एक सीमित और अच्छी तरह से परिभाषित गति के साथ प्रसारित होती है। लघु-दूरी क्रिया के सिद्धांत का गणितीय औचित्य उत्कृष्ट अंग्रेजी वैज्ञानिक डी. मैक्सवेल (1831-1879) द्वारा दिया गया था। चूँकि जो संकेत तुरंत प्रसारित होते हैं वे प्रकृति में मौजूद नहीं होते हैं, निम्नलिखित में हम छोटी दूरी के सिद्धांत का पालन करेंगे।

कुछ मामलों में, संकेतों का प्रसार पदार्थ के माध्यम से होता है, उदाहरण के लिए, हवा में ध्वनि का प्रसार। अन्य मामलों में, पदार्थ सीधे संकेतों के संचरण में शामिल नहीं होता है, उदाहरण के लिए, सूर्य से प्रकाश वायुहीन अंतरिक्ष के माध्यम से पृथ्वी तक पहुंचता है। अतः पदार्थ का अस्तित्व केवल पदार्थ के रूप में ही नहीं है।

ऐसे मामलों में जहां निकायों का एक दूसरे पर प्रभाव वायुहीन स्थान के माध्यम से हो सकता है, इस प्रभाव को प्रसारित करने वाले भौतिक माध्यम को क्षेत्र कहा जाता है। इस प्रकार, पदार्थ पदार्थ के रूप में और किस रूप में विद्यमान है? खेत। पिंडों के बीच कार्यरत बलों के प्रकार के आधार पर, क्षेत्र विभिन्न प्रकार के हो सकते हैं। वह क्षेत्र जो सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण के नियम के अनुसार एक पिंड के प्रभाव को दूसरे पिंड पर प्रसारित करता है, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र कहलाता है। वह क्षेत्र जो कूलम्ब के नियम के अनुसार एक स्थिर विद्युत आवेश के प्रभाव को दूसरे स्थिर आवेश पर प्रसारित करता है, इलेक्ट्रोस्टैटिक या विद्युत क्षेत्र कहलाता है।

अनुभव से पता चला है कि विद्युत सिग्नल वायुहीन अंतरिक्ष में बहुत तेज़ लेकिन सीमित गति से फैलते हैं, जो लगभग 300,000 किमी/सेकेंड (§ 27.7) है। यह

सिद्ध करता है कि विद्युत क्षेत्र पदार्थ के समान ही भौतिक वास्तविकता है। क्षेत्र के गुणों के अध्ययन ने क्षेत्र का उपयोग करके दूर तक ऊर्जा स्थानांतरित करना और मानवता की जरूरतों के लिए इसका उपयोग करना संभव बना दिया। एक उदाहरण रेडियो संचार, टेलीविजन, लेजर आदि का प्रभाव है। हालांकि, क्षेत्र के कई गुणों का खराब अध्ययन किया गया है या अभी तक ज्ञात नहीं है। क्षेत्र के भौतिक गुणों और क्षेत्र और पदार्थ के बीच परस्पर क्रिया का अध्ययन आधुनिक भौतिकी की सबसे महत्वपूर्ण वैज्ञानिक समस्याओं में से एक है।

कोई भी विद्युत आवेश अंतरिक्ष में एक विद्युत क्षेत्र बनाता है, जिसकी मदद से वह अन्य आवेशों के साथ संपर्क करता है। एक विद्युत क्षेत्र केवल विद्युत आवेशों पर कार्य करता है। इसलिए, ऐसे क्षेत्र का पता केवल एक ही तरीके से लगाया जा सकता है: अंतरिक्ष के उस बिंदु में एक परीक्षण चार्ज पेश करके जो हमें रुचिकर बनाता है। यदि इस बिंदु पर कोई क्षेत्र है, तो एक विद्युत बल उस पर कार्य करेगा।

जब किसी क्षेत्र की जांच परीक्षण चार्ज के साथ की जाती है, तो यह माना जाता है कि इसकी उपस्थिति अध्ययन के तहत क्षेत्र को विकृत नहीं करती है। इसका मतलब यह है कि परीक्षण चार्ज का परिमाण क्षेत्र बनाने वाले चार्ज की तुलना में बहुत छोटा होना चाहिए। सकारात्मक चार्ज को परीक्षण चार्ज के रूप में उपयोग करने पर सहमति हुई।

कूलम्ब के नियम से यह निष्कर्ष निकलता है कि विद्युत आवेशों के बीच परस्पर क्रिया के बल का निरपेक्ष मान उनके बीच की दूरी बढ़ने के साथ घटता जाता है, लेकिन कभी भी पूरी तरह से गायब नहीं होता है। इसका मतलब यह है कि, सैद्धांतिक रूप से, विद्युत आवेश क्षेत्र अनंत तक फैला हुआ है। हालाँकि, व्यवहार में हम मानते हैं कि क्षेत्र केवल वहीं मौजूद होता है जहाँ परीक्षण चार्ज पर ध्यान देने योग्य बल कार्य करता है।

आइए यह भी ध्यान दें कि जब कोई आवेश गति करता है, तो उसका क्षेत्र भी उसके साथ गति करता है। जब चार्ज को इतना हटा दिया जाता है कि अंतरिक्ष में किसी भी बिंदु पर परीक्षण चार्ज पर विद्युत बल का व्यावहारिक रूप से कोई प्रभाव नहीं पड़ता है, तो हम कहते हैं कि क्षेत्र गायब हो गया है, हालांकि वास्तव में यह अंतरिक्ष में अन्य बिंदुओं पर चला गया है।

कुछ आवेशित पिंडों की क्रिया अन्य आवेशित पिंडों पर उनके सीधे संपर्क के बिना, एक विद्युत क्षेत्र के माध्यम से की जाती है।

विद्युत क्षेत्र भौतिक है। यह हमसे और इसके बारे में हमारे ज्ञान से स्वतंत्र रूप से अस्तित्व में है।

एक विद्युत क्षेत्र विद्युत आवेशों द्वारा निर्मित होता है और विद्युत आवेशों पर एक निश्चित बल की क्रिया द्वारा इसका पता लगाया जाता है।

विद्युत क्षेत्र निर्वात में 300,000 किमी/सेकेंड की टर्मिनल गति से फैलता है।

चूँकि विद्युत क्षेत्र के मुख्य गुणों में से एक एक निश्चित बल के साथ आवेशित कणों पर इसका प्रभाव है, इसलिए क्षेत्र की मात्रात्मक विशेषताओं को पेश करने के लिए अंतरिक्ष में एक बिंदु पर चार्ज q (परीक्षण चार्ज) के साथ एक छोटा पिंड रखना आवश्यक है। अध्ययन किया. इस पिंड पर क्षेत्र से एक बल कार्य करेगा

यदि आप परीक्षण चार्ज का आकार बदलते हैं, उदाहरण के लिए, दो के कारक से, तो उस पर कार्य करने वाला बल भी दो के कारक से बदल जाएगा।

जब परीक्षण चार्ज का मान n के कारक से बदलता है, तो चार्ज पर कार्य करने वाला बल भी n के कारक से बदलता है।

क्षेत्र के किसी दिए गए बिंदु पर रखे गए परीक्षण आवेश पर लगने वाले बल और इस आवेश के परिमाण का अनुपात एक स्थिर मान है और यह न तो इस बल पर, न ही आवेश के परिमाण पर, या इस बात पर निर्भर नहीं करता है कि वहाँ है या नहीं कोई शुल्क. इस अनुपात को एक अक्षर द्वारा दर्शाया जाता है और इसे विद्युत क्षेत्र की बल विशेषता के रूप में लिया जाता है। संगत भौतिक मात्रा कहलाती है विद्युत क्षेत्र की ताकत .

तनाव से पता चलता है कि क्षेत्र में किसी दिए गए बिंदु पर रखे गए इकाई आवेश पर विद्युत क्षेत्र द्वारा कितना बल लगाया जाता है।

तनाव की इकाई खोजने के लिए, आपको तनाव के परिभाषित समीकरण में बल की इकाइयों - 1 N और आवेश - 1 C को प्रतिस्थापित करना होगा। हमें मिलता है: [ई] = 1 एन/1 सीएल = 1 एन/सीएल।

स्पष्टता के लिए, चित्रों में विद्युत क्षेत्रों को क्षेत्र रेखाओं का उपयोग करके दर्शाया गया है।

एक विद्युत क्षेत्र किसी आवेश को एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने का कार्य कर सकता है। इस तरह, क्षेत्र में किसी दिए गए बिंदु पर रखे गए आवेश में संभावित ऊर्जा का भंडार होता है.

क्षेत्र की ऊर्जा विशेषताओं को बल विशेषता के परिचय के समान ही दर्ज किया जा सकता है।

जब परीक्षण चार्ज का आकार बदलता है, तो न केवल उस पर कार्य करने वाला बल बदलता है, बल्कि इस चार्ज की संभावित ऊर्जा भी बदलती है। क्षेत्र में किसी दिए गए बिंदु पर स्थित परीक्षण आवेश की ऊर्जा और इस आवेश के मान का अनुपात एक स्थिर मान है और यह ऊर्जा या आवेश पर निर्भर नहीं करता है।

क्षमता की एक इकाई प्राप्त करने के लिए, क्षमता के परिभाषित समीकरण में ऊर्जा की इकाइयों - 1 जे और चार्ज - 1 सी को प्रतिस्थापित करना आवश्यक है। हमें मिलता है: [φ] = 1 जे/1 सी = 1 वी।

इस इकाई का अपना नाम है: 1 वोल्ट।

एक बिंदु आवेश की क्षेत्र क्षमता, क्षेत्र बनाने वाले आवेश के परिमाण के सीधे आनुपातिक होती है और आवेश से क्षेत्र में दिए गए बिंदु तक की दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है:

चित्रों में विद्युत क्षेत्रों को समान क्षमता वाली सतहों का उपयोग करके भी दर्शाया जा सकता है, जिसे कहा जाता है समविभव सतहें .

जब कोई विद्युत आवेश एक विभव वाले बिंदु से दूसरे विभव वाले बिंदु की ओर बढ़ता है, तो कार्य पूरा हो जाता है।

किसी आवेश को क्षेत्र में एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने के लिए किए गए कार्य और इस आवेश के मान के अनुपात के बराबर भौतिक मात्रा कहलाती है विद्युत वोल्टेज :

वोल्टेज दर्शाता है कि 1 C के आवेश को क्षेत्र के एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने पर विद्युत क्षेत्र द्वारा कितना कार्य किया जाता है।

वोल्टेज की इकाई, साथ ही क्षमता, 1 V है।

एक दूसरे से दूरी d पर स्थित दो क्षेत्र बिंदुओं के बीच वोल्टेज क्षेत्र की ताकत से संबंधित है:

एक समान विद्युत क्षेत्र में, किसी आवेश को क्षेत्र के एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने का कार्य प्रक्षेप पथ के आकार पर निर्भर नहीं करता है और केवल आवेश के परिमाण और क्षेत्र के बिंदुओं के बीच संभावित अंतर से निर्धारित होता है।

अल्प-दूरी क्रिया के सिद्धांत के आधार पर, प्रत्येक आवेश के चारों ओर एक विद्युत क्षेत्र होता है। विद्युत क्षेत्र एक भौतिक वस्तु है, जो लगातार अंतरिक्ष में मौजूद रहती है और अन्य आवेशों पर कार्य करने में सक्षम है। एक विद्युत क्षेत्र प्रकाश की गति से अंतरिक्ष में फैलता है। उस बल के अनुपात के बराबर एक भौतिक मात्रा जिसके साथ विद्युत क्षेत्र एक परीक्षण आवेश (एक बिंदु सकारात्मक छोटा आवेश जो क्षेत्र के विन्यास को प्रभावित नहीं करता है) और इस आवेश के मूल्य पर कार्य करता है, विद्युत क्षेत्र की ताकत कहलाती है। कूलम्ब के नियम का उपयोग करके आवेश द्वारा निर्मित क्षेत्र शक्ति के लिए एक सूत्र प्राप्त करना संभव है क्यूदूरी पर आरचार्ज से . क्षेत्र की ताकत उस आवेश पर निर्भर नहीं करती जिस पर वह कार्य करता है। तनाव रेखाएँ धनात्मक आवेशों पर शुरू होती हैं और ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त होती हैं, या अनंत तक जाती हैं। एक विद्युत क्षेत्र जिसकी शक्ति अंतरिक्ष में किसी भी बिंदु पर सभी के लिए समान होती है, एकसमान विद्युत क्षेत्र कहलाता है। दो समानांतर विपरीत आवेशित धातु प्लेटों के बीच का क्षेत्र लगभग एक समान माना जा सकता है। समान प्रभार वितरण के साथ क्यूक्षेत्र की सतह पर एससतह आवेश घनत्व है। सतह चार्ज घनत्व एस वाले अनंत विमान के लिए, क्षेत्र की ताकत अंतरिक्ष में सभी बिंदुओं पर समान है और बराबर है ।संभावित अंतर।

जब किसी आवेश को विद्युत क्षेत्र द्वारा कुछ दूरी तक ले जाया जाता है, तो किया गया कार्य बराबर होता है . जैसा कि गुरुत्वाकर्षण के कार्य के मामले में, कूलम्ब बल का कार्य आवेश के प्रक्षेपवक्र पर निर्भर नहीं करता है। जब विस्थापन वेक्टर की दिशा 180 0 से बदलती है, तो क्षेत्र बलों का कार्य विपरीत दिशा में संकेत बदलता है। इस प्रकार, किसी बंद सर्किट के साथ चार्ज को स्थानांतरित करते समय इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र बलों द्वारा किया गया कार्य शून्य होता है। वह क्षेत्र जिसका बंद पथ पर बलों का कार्य शून्य है, संभावित क्षेत्र कहलाता है।

बिल्कुल एक पिंड की तरह एमगुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में संभावित ऊर्जा शरीर के द्रव्यमान के समानुपाती होती है, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में विद्युत आवेश में संभावित ऊर्जा होती है डब्ल्यू पी, आवेश के समानुपाती। स्थिरवैद्युत क्षेत्र बलों द्वारा किया गया कार्य आवेश की स्थितिज ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है, जिसे विपरीत चिह्न से लिया जाता है। इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र में एक बिंदु पर, विभिन्न आवेशों में अलग-अलग संभावित ऊर्जाएं हो सकती हैं। लेकिन किसी दिए गए बिंदु के लिए संभावित ऊर्जा और चार्ज का अनुपात एक स्थिर मान है। इस भौतिक मात्रा को विद्युत क्षेत्र विभव कहते हैं, जिससे किसी आवेश की स्थितिज ऊर्जा किसी दिए गए बिंदु पर विभव और आवेश के गुणनफल के बराबर होती है। क्षमता एक अदिश राशि है; कई क्षेत्रों की क्षमता उन क्षेत्रों की क्षमताओं के योग के बराबर होती है। पिंडों की परस्पर क्रिया के दौरान ऊर्जा में होने वाले परिवर्तन का माप कार्य है। इसलिए, चार्ज को स्थानांतरित करते समय, इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र बलों द्वारा किया गया कार्य विपरीत संकेत के साथ ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर होता है। क्योंकि कार्य संभावित अंतर पर निर्भर करता है और उनके बीच प्रक्षेपवक्र पर निर्भर नहीं करता है, तो संभावित अंतर को इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र की ऊर्जा विशेषता माना जा सकता है। यदि आवेश से अनंत दूरी पर विभव शून्य के बराबर लिया जाए, तो दूरी पर आरआवेश से यह सूत्र द्वारा निर्धारित होता है