วิธีพิสูจน์ว่าสนามไฟฟ้าเป็นวัสดุ สนามไฟฟ้าสถิต

ตามแนวคิดทางกายภาพเบื้องต้น สนามไฟฟ้าเป็นเพียงสภาพแวดล้อมทางวัตถุชนิดพิเศษที่เกิดขึ้นรอบๆ วัตถุที่มีประจุ และมีอิทธิพลต่อการจัดปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุดังกล่าวด้วยความเร็วจำกัดที่แน่นอนและในพื้นที่จำกัดอย่างเคร่งครัด

ได้รับการพิสูจน์มานานแล้วว่าสนามไฟฟ้าสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในตัวที่อยู่นิ่งและเคลื่อนที่ ข้อบ่งชี้หลักของการมีอยู่คือผลกระทบต่อ

แนวคิดเชิงปริมาณหลักประการหนึ่งคือแนวคิดเรื่อง "ความแรงของสนาม" ในแง่ตัวเลข คำนี้หมายถึงอัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อประจุทดสอบโดยตรงกับการแสดงออกเชิงปริมาณของประจุนี้

ความจริงที่ว่าประจุคือการทดสอบหมายความว่าตัวมันเองไม่ได้มีส่วนร่วมใด ๆ ในการสร้างฟิลด์นี้ และค่าของมันก็น้อยมากจนไม่ทำให้เกิดการบิดเบือนข้อมูลต้นฉบับ ความแรงของสนามไฟฟ้าวัดเป็น V/m ซึ่งตามอัตภาพจะเท่ากับ N/C

นักวิจัยชาวอังกฤษชื่อดัง M. Faraday ได้นำวิธีการแสดงสนามไฟฟ้ามาใช้ทางวิทยาศาสตร์ เขาเห็นว่าเรื่องพิเศษประเภทนี้ควรวาดเป็นเส้นต่อเนื่องกัน ต่อมากลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "เส้นความเข้มของสนามไฟฟ้า" และทิศทางตามกฎฟิสิกส์พื้นฐานสอดคล้องกับทิศทางของความเข้ม

เส้นแรงจำเป็นในการแสดงคุณลักษณะเชิงคุณภาพของแรงดึง เช่น ความหนาหรือความหนาแน่น ในกรณีนี้ ความหนาแน่นของเส้นแรงดึงจะขึ้นอยู่กับจำนวนต่อหน่วยพื้นผิว รูปภาพที่สร้างขึ้นของเส้นสนามช่วยให้คุณสามารถกำหนดการแสดงออกเชิงปริมาณของความแรงของสนามในแต่ละส่วนของมันรวมทั้งค้นหาว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

สนามไฟฟ้าของไดอิเล็กทริกมีคุณสมบัติที่น่าสนใจทีเดียว ดังที่ทราบกันดีว่าไดอิเล็กทริกเป็นสารที่ไม่มีอนุภาคที่มีประจุอิสระดังนั้นจึงไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ สารดังกล่าวควรรวมถึงก๊าซ เซรามิก เครื่องเคลือบดินเผา น้ำกลั่น ไมกาเป็นอันดับแรก ฯลฯ

เพื่อกำหนดความแรงของสนามไฟฟ้าในอิเล็กทริก จะต้องผ่านสนามไฟฟ้า ภายใต้อิทธิพลของมัน ประจุที่ถูกผูกมัดในอิเล็กทริกเริ่มเปลี่ยน แต่พวกมันไม่สามารถออกจากขอบเขตของโมเลกุลได้ การกระจัดของทิศทางหมายความว่าประจุบวกจะถูกแทนที่ด้วยทิศทางของสนามไฟฟ้าและมีประจุลบตรงข้าม อันเป็นผลมาจากการยักย้ายเหล่านี้สนามไฟฟ้าใหม่จะปรากฏขึ้นภายในอิเล็กทริกซึ่งมีทิศทางตรงกันข้ามกับสนามไฟฟ้าภายนอก สนามภายในนี้ทำให้สนามภายนอกอ่อนแอลงอย่างเห็นได้ชัด ดังนั้นความตึงเครียดของสนามหลังจึงลดลง

ความแรงของสนามเป็นคุณลักษณะเชิงปริมาณที่สำคัญที่สุด ซึ่งเป็นสัดส่วนโดยตรงกับแรงที่สสารชนิดพิเศษนี้กระทำต่อประจุไฟฟ้าภายนอก แม้ว่าจะเป็นไปไม่ได้ที่จะเห็นค่านี้ แต่ด้วยความช่วยเหลือของการวาดเส้นแรงตึงคุณสามารถเข้าใจความหนาแน่นและทิศทางของมันในอวกาศ

เรามักจะรับสัญญาณเกี่ยวกับเหตุการณ์ระยะไกลโดยใช้สื่อกลาง ตัวอย่างเช่น การสื่อสารทางโทรศัพท์ดำเนินการโดยใช้สายไฟฟ้า การส่งเสียงพูดในระยะไกลเกิดขึ้นโดยใช้คลื่นเสียงที่แพร่กระจายในอากาศ

(เสียงไม่สามารถเดินทางในอวกาศที่ไม่มีอากาศ) เนื่องจากการเกิดขึ้นของสัญญาณนั้นเป็นปรากฏการณ์ทางวัตถุเสมอ การแพร่กระจายของมันที่เกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงานจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในอวกาศจึงสามารถเกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมทางวัตถุเท่านั้น

สัญญาณที่สำคัญที่สุดที่สื่อกลางมีส่วนร่วมในการส่งสัญญาณคือความเร็วสุดท้ายของการแพร่กระจายสัญญาณจากแหล่งกำเนิดไปยังผู้สังเกต ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสื่อ เช่น เสียงในอากาศเดินทางด้วยความเร็วประมาณ 330 เมตร/วินาที

หากมีปรากฏการณ์ในธรรมชาติที่ความเร็วของการแพร่กระจายของสัญญาณมีขนาดใหญ่อย่างไม่มีที่สิ้นสุด กล่าวคือ สัญญาณจะถูกส่งทันทีจากวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งที่ระยะห่างระหว่างวัตถุเหล่านั้น นั่นหมายความว่าวัตถุสามารถกระทำต่อกันและกันได้ใน ระยะห่างและไม่มีเรื่องระหว่างพวกเขา ในวิชาฟิสิกส์ ผลกระทบของวัตถุที่มีต่อกันนี้เรียกว่าการกระทำระยะไกล เมื่อวัตถุกระทำต่อกันและกันด้วยความช่วยเหลือจากสสารที่อยู่ระหว่างวัตถุทั้งสอง ปฏิกิริยาของพวกมันเรียกว่าการกระทำระยะสั้น ดังนั้นในระหว่างการมีปฏิสัมพันธ์อย่างใกล้ชิด ร่างกายจะส่งผลโดยตรงต่อสภาพแวดล้อมทางวัตถุ และสภาพแวดล้อมนี้ส่งผลกระทบต่ออีกร่างกายหนึ่งแล้ว

ต้องใช้เวลาพอสมควรในการถ่ายโอนอิทธิพลของวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งผ่านตัวกลางระดับกลาง เนื่องจากกระบวนการใด ๆ ในสภาพแวดล้อมทางวัตถุจะถูกส่งจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งด้วยความเร็วที่จำกัดและกำหนดไว้อย่างดี การให้เหตุผลทางคณิตศาสตร์สำหรับทฤษฎีการกระทำระยะสั้นนั้นมอบให้โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษผู้มีชื่อเสียง ดี. แม็กซ์เวลล์ (พ.ศ. 2374-2422) เนื่องจากสัญญาณที่แพร่กระจายทันทีนั้นไม่มีอยู่ในธรรมชาติ ต่อไปนี้เราจะยึดตามทฤษฎีระยะสั้น

ในบางกรณี การแพร่กระจายของสัญญาณเกิดขึ้นผ่านสสาร เช่น การแพร่กระจายของเสียงในอากาศ ในกรณีอื่นๆ สารนี้ไม่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการส่งสัญญาณ เช่น แสงจากดวงอาทิตย์มายังโลกผ่านอวกาศที่ไม่มีอากาศ ดังนั้นสสารจึงไม่ได้มีอยู่เพียงในรูปของสสารเท่านั้น

ในกรณีที่วัตถุปะทะกันสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านช่องว่างที่ไม่มีอากาศ วัสดุตัวกลางที่ส่งผลกระทบนี้เรียกว่าสนาม ดังนั้นสสารจึงมีอยู่ในรูปของสสารและอยู่ในรูปของ? สาขา สนามอาจมีหลายประเภทขึ้นอยู่กับประเภทของแรงที่กระทำระหว่างวัตถุ สนามที่ส่งอิทธิพลของวัตถุหนึ่งไปยังอีกวัตถุหนึ่งตามกฎแรงโน้มถ่วงสากลเรียกว่าสนามโน้มถ่วง สนามที่ส่งผลกระทบของประจุไฟฟ้านิ่งหนึ่งไปยังประจุนิ่งอีกประจุหนึ่งตามกฎของคูลอมบ์ เรียกว่า สนามไฟฟ้าสถิตหรือสนามไฟฟ้า

ประสบการณ์ได้แสดงให้เห็นว่าสัญญาณไฟฟ้าแพร่กระจายในพื้นที่ไร้อากาศด้วยความเร็วที่สูงมากแต่จำกัด ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 300,000 กม./วินาที (§ 27.7) นี้

พิสูจน์ว่าสนามไฟฟ้ามีความเป็นจริงทางกายภาพเช่นเดียวกับสสาร การศึกษาคุณสมบัติของสนามทำให้สามารถถ่ายโอนพลังงานในระยะไกลโดยใช้สนามและนำไปใช้ตามความต้องการของมนุษยชาติ ตัวอย่างคือผลกระทบของการสื่อสารทางวิทยุ โทรทัศน์ เลเซอร์ ฯลฯ อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติหลายประการของสาขานี้ยังได้รับการศึกษาที่ไม่ดีนักหรือยังไม่ทราบ การศึกษาคุณสมบัติทางกายภาพของสนามและปฏิสัมพันธ์ระหว่างสนามกับสสารถือเป็นปัญหาทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุดปัญหาหนึ่งของฟิสิกส์สมัยใหม่

ประจุไฟฟ้าใดๆ ก็ตามจะสร้างสนามไฟฟ้าในอวกาศ โดยที่สนามไฟฟ้าจะมีอันตรกิริยากับประจุอื่นๆ สนามไฟฟ้าทำหน้าที่เฉพาะกับประจุไฟฟ้าเท่านั้น ดังนั้นจึงสามารถตรวจจับสนามดังกล่าวได้ด้วยวิธีเดียวเท่านั้นคือการนำประจุทดสอบเข้าไปในจุดอวกาศที่เราสนใจ หากมีสนาม ณ จุดนี้ก็จะเกิดแรงไฟฟ้ากระทำต่อสนามนั้น

เมื่อตรวจสอบสนามด้วยประจุทดสอบ เชื่อกันว่าการมีอยู่ของสนามนั้นไม่ได้บิดเบือนสนามที่กำลังศึกษาอยู่ ซึ่งหมายความว่าขนาดของประจุทดสอบจะต้องมีน้อยมากเมื่อเทียบกับประจุที่สร้างสนาม มีการตกลงกันว่าจะใช้ประจุบวกเป็นประจุทดสอบ

จากกฎของคูลอมบ์ ค่าสัมบูรณ์ของแรงอันตรกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้าจะลดลงตามระยะห่างระหว่างประจุไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น แต่จะไม่มีวันหายไปโดยสิ้นเชิง ซึ่งหมายความว่า ตามทฤษฎีแล้ว สนามประจุไฟฟ้าจะขยายไปจนถึงระยะอนันต์ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เราเชื่อว่าสนามนั้นมีอยู่เฉพาะเมื่อมีแรงที่เห็นได้ชัดเจนกระทำต่อประจุทดสอบเท่านั้น

ให้เราทราบด้วยว่าเมื่อประจุเคลื่อนที่ สนามของมันก็เคลื่อนที่ไปด้วย เมื่อประจุถูกกำจัดออกไปมากจนแรงไฟฟ้าที่กระทำต่อประจุทดสอบ ณ จุดใดๆ ในอวกาศไม่มีผลกระทบในทางปฏิบัติ เราบอกว่าสนามแม่เหล็กนั้นหายไป แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วสนามแม่เหล็กได้ย้ายไปยังจุดอื่นๆ ในอวกาศแล้วก็ตาม

การกระทำของวัตถุที่มีประจุบางวัตถุกับวัตถุที่มีประจุอื่น ๆ จะดำเนินการโดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงผ่านสนามไฟฟ้า

สนามไฟฟ้าคือวัสดุ มันมีอยู่โดยเป็นอิสระจากเราและความรู้ของเราเกี่ยวกับเรื่องนี้

สนามไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยประจุไฟฟ้า และตรวจพบโดยประจุไฟฟ้าโดยการกระทำของแรงบางอย่างที่กระทำต่อประจุเหล่านั้น

สนามไฟฟ้าแพร่กระจายที่ความเร็วปลาย 300,000 กม./วินาที ในสุญญากาศ

เนื่องจากหนึ่งในคุณสมบัติหลักของสนามไฟฟ้าคือผลกระทบต่ออนุภาคที่มีประจุด้วยแรงบางอย่าง เพื่อแนะนำคุณลักษณะเชิงปริมาณของสนามไฟฟ้า จึงจำเป็นต้องวางวัตถุขนาดเล็กที่มีประจุ q (ประจุทดสอบ) ไว้ที่จุดในอวกาศ ศึกษา แรงจะกระทำต่อร่างกายนี้จากสนาม

หากคุณเปลี่ยนขนาดของประจุทดสอบ เช่น คูณสอง แรงที่กระทำต่อประจุก็จะเปลี่ยนไปคูณสองด้วย

เมื่อค่าของประจุทดสอบเปลี่ยนแปลงด้วยปัจจัยของ n แรงที่กระทำต่อประจุจะเปลี่ยนไปตามปัจจัยของ n ด้วย

อัตราส่วนของแรงที่กระทำต่อประจุทดสอบที่วาง ณ จุดที่กำหนดของสนามต่อขนาดของประจุจะเป็นค่าคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับแรงนี้ หรือขนาดของประจุ หรือขึ้นอยู่กับว่ามี ค่าใช้จ่ายใด ๆ อัตราส่วนนี้แสดงด้วยตัวอักษรและถือเป็นลักษณะแรงของสนามไฟฟ้า เรียกว่าปริมาณทางกายภาพที่สอดคล้องกัน ความแรงของสนามไฟฟ้า .

ความตึงเครียดแสดงแรงที่สนามไฟฟ้ากระทำต่อประจุหนึ่งหน่วยที่วาง ณ จุดที่กำหนดในสนาม

ในการค้นหาหน่วยของความตึงเครียด คุณต้องแทนที่หน่วยของแรง - 1 N และประจุ - 1 C ลงในสมการที่กำหนดของความตึงเครียด เราได้รับ: [ E ] = 1 N / 1 Cl = 1 N / Cl

เพื่อความชัดเจน สนามไฟฟ้าในภาพวาดจะแสดงโดยใช้เส้นสนาม

สนามไฟฟ้าสามารถทำงานเพื่อย้ายประจุจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้ เพราะฉะนั้น, ประจุที่วาง ณ จุดที่กำหนดในสนามจะมีพลังงานศักย์สำรอง.

สามารถป้อนคุณลักษณะพลังงานของสนามได้ในลักษณะเดียวกับการแนะนำคุณลักษณะแรง

เมื่อขนาดของประจุทดสอบเปลี่ยนไป ไม่เพียงแต่แรงที่กระทำต่อประจุจะเปลี่ยนไป แต่ยังรวมถึงพลังงานศักย์ของประจุนี้ด้วย อัตราส่วนของพลังงานของประจุทดสอบซึ่งอยู่ที่จุดที่กำหนดในสนามต่อค่าของประจุนี้เป็นค่าคงที่และไม่ขึ้นอยู่กับพลังงานหรือประจุ

เพื่อให้ได้หน่วยของศักยภาพ จำเป็นต้องแทนที่หน่วยพลังงาน - 1 J และประจุ - 1 C ลงในสมการที่กำหนดศักยภาพ เราได้รับ: [φ] = 1 J / 1 C = 1 V.

หน่วยนี้มีชื่อของตัวเอง: 1 โวลต์

ศักย์สนามของประจุแบบจุดเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุที่สร้างสนามและเป็นสัดส่วนผกผันกับระยะทางจากประจุไปยังจุดที่กำหนดในสนาม:

สนามไฟฟ้าในภาพวาดสามารถแสดงได้โดยใช้พื้นผิวที่มีศักยภาพเท่ากันเรียกว่า พื้นผิวที่มีศักย์เท่ากัน .

เมื่อประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่จากจุดที่มีศักยภาพหนึ่งไปยังจุดที่มีศักยภาพอื่น งานก็เสร็จสิ้น

ปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของงานที่ทำเพื่อย้ายประจุจากจุดหนึ่งในสนามไปยังอีกจุดหนึ่งตามมูลค่าของประจุนี้เรียกว่า แรงดันไฟฟ้า :

แรงดันไฟฟ้าแสดงปริมาณงานของสนามไฟฟ้าเมื่อย้ายประจุ 1 C จากจุดหนึ่งในสนามไฟฟ้าไปยังอีกจุดหนึ่ง

หน่วยของแรงดันไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้าคือ 1 V

แรงดันไฟฟ้าระหว่างจุดสนามสองจุดซึ่งอยู่ห่างจากกันมีความสัมพันธ์กับความแรงของสนาม:

ในสนามไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ งานในการเคลื่อนย้ายประจุจากจุดหนึ่งของสนามไปยังอีกจุดหนึ่งไม่ได้ขึ้นอยู่กับรูปร่างของวิถีโคจรและถูกกำหนดโดยขนาดของประจุและความต่างศักย์ระหว่างจุดของสนามเท่านั้น

ตามทฤษฎีการกระทำระยะสั้น จะมีสนามไฟฟ้าล้อมรอบแต่ละประจุ สนามไฟฟ้าเป็นวัตถุวัตถุซึ่งมีอยู่ตลอดเวลาในอวกาศและสามารถกระทำการกับประจุอื่นได้ สนามไฟฟ้าแพร่กระจายผ่านอวกาศด้วยความเร็วแสง ปริมาณทางกายภาพเท่ากับอัตราส่วนของแรงที่สนามไฟฟ้ากระทำต่อประจุทดสอบ (ประจุบวกขนาดเล็กจุดบวกที่ไม่ส่งผลต่อการกำหนดค่าของสนาม) ต่อค่าของประจุนี้เรียกว่าความแรงของสนามไฟฟ้า การใช้กฎของคูลอมบ์ทำให้สามารถหาสูตรความแรงของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากประจุได้ ถามในระยะทาง รจากการชาร์จ . ความแรงของสนามไฟฟ้าไม่ได้ขึ้นอยู่กับประจุที่กระทำ เส้นแรงดึงเริ่มต้นที่ประจุบวกและสิ้นสุดที่ประจุลบ หรือไปที่ระยะอนันต์ สนามไฟฟ้าที่มีความแรงเท่ากันสำหรับทุกคน ณ จุดใดๆ ในอวกาศ เรียกว่า สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ สนามระหว่างแผ่นโลหะที่มีประจุตรงข้ามขนานกันสองแผ่นถือได้ว่ามีความสม่ำเสมอกันโดยประมาณ ด้วยการกระจายประจุที่สม่ำเสมอ ถามเหนือพื้นผิวของพื้นที่ สความหนาแน่นประจุที่พื้นผิวคือ สำหรับระนาบอนันต์ที่มีความหนาแน่นประจุที่พื้นผิว s ความแรงของสนามจะเท่ากันที่ทุกจุดในอวกาศและเท่ากับ . ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

เมื่อประจุถูกย้ายโดยสนามไฟฟ้าในระยะไกล งานที่ทำจะเท่ากับ . เช่นเดียวกับในกรณีของงานแรงโน้มถ่วง งานของแรงคูลอมบ์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิถีการเคลื่อนที่ของประจุ เมื่อทิศทางของเวกเตอร์การกระจัดเปลี่ยน 180 0 การทำงานของแรงสนามจะเปลี่ยนสัญญาณไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นงานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าสถิตเมื่อประจุเคลื่อนที่ไปตามวงจรปิดจึงเป็นศูนย์ สนามที่มีการทำงานของกำลังตามเส้นทางปิดเป็นศูนย์เรียกว่าสนามศักย์

เช่นเดียวกับร่างกายที่มีมวล มในสนามแรงโน้มถ่วงมีพลังงานศักย์เป็นสัดส่วนกับมวลของร่างกาย ประจุไฟฟ้าในสนามไฟฟ้าสถิตจะมีพลังงานศักย์ วพีสัดส่วนกับค่าใช้จ่าย งานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าสถิตจะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงพลังงานศักย์ของประจุซึ่งมีเครื่องหมายตรงกันข้าม ณ จุดหนึ่งในสนามไฟฟ้าสถิต ประจุที่ต่างกันสามารถมีพลังงานศักย์ต่างกันได้ แต่อัตราส่วนของพลังงานศักย์ที่จะประจุสำหรับจุดที่กำหนดจะเป็นค่าคงที่ ปริมาณทางกายภาพนี้เรียกว่าศักย์สนามไฟฟ้า ซึ่งพลังงานศักย์ของประจุจะเท่ากับผลคูณของศักย์ ณ จุดที่กำหนดและประจุ ศักย์ไฟฟ้าเป็นปริมาณสเกลาร์ ศักย์ของหลายสาขาเท่ากับผลรวมของศักย์ไฟฟ้าของสาขาเหล่านี้ การวัดการเปลี่ยนแปลงพลังงานระหว่างปฏิสัมพันธ์ของร่างกายคือการทำงาน เมื่อทำการเคลื่อนย้ายประจุ งานที่ทำโดยแรงสนามไฟฟ้าสถิตจึงเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่มีเครื่องหมายตรงกันข้าม เพราะ งานขึ้นอยู่กับความต่างศักย์และไม่ขึ้นอยู่กับวิถีโคจรระหว่างกันดังนั้นความต่างศักย์ถือได้ว่าเป็นลักษณะพลังงานของสนามไฟฟ้าสถิต ถ้าศักย์ไฟฟ้าที่ระยะทางไม่สิ้นสุดจากประจุเท่ากับศูนย์ ดังนั้นจะอยู่ที่ระยะห่าง รจากประจุจะถูกกำหนดโดยสูตร