+ Pokaż spis treści

Pole elektrostatyczne


Jest to przestrzeń , w której na umieszczone ładunki działają siły elektryczne.
 
Linie, wzdłuż których działają siły , są nazywane liniami pola i ich przebieg stanowi obraz pola. Nadajemy im zwroty zgodne ze zwrotami sił. Źródłami pól elektrostatycznych są wszystkie ładunki i ciała naelektryzowane. Pola pochodzące od kilku źródeł nakładają się na siebie i z tego powodu obrazy źródeł mogą być różne. Poniższe rysunki przedstawiają pola różnych źródeł.

Natężenie pola elektrostatycznego


Do opisu pola elektrostatycznego wprowadza się kilka wielkości fizycznych: natężenie, potencjał, indukcja, strumień indukcji.
Natężeniem pola elektrostatycznego [E] w danym punkcie pola nazywamy stosunek siły [F] działającej na umieszczony w tym punkcie ładunek próbny [q] , do wartości tego ładunku.



Jest to wielkość wektorowa o kierunku stycznym do linii pola i zwrocie zgodnym z liniami pola , wyrażana w niutonach na kulomb 

Natężenie informuje nas o tym, czy pole jest w danym punkcie silne , czy słabe.
Wykorzystując wzór na siłę elektryczną otrzymamy równanie :
, z którego wynika, że natężenie pola elektrostatycznego w danym punkcie zależy wprost proporcjonalnie od ładunku źródłowego [Q] , a odwrotnie proporcjonalnie od kwadratu odległości tego punktu od źródła [r2],  a współczynnikiem proporcjonalności jest stała elektryczna  -k. 
Natężenie pola pochodzące od dwóch lub więcej źródeł wyznaczamy geometrycznie tzn. składamy wektory natężeń zgodnie z zasadami dodawania wektorów.

Praca w polu elektrostatycznym - energia ładunku


Przeniesienie ładunku
 q z jednego punktu pola do innego wymaga wykonania pracy przez siły zewnętrzne lub siły pola.

W zależności od znaków  ładunku źródłowego i ładunku przenoszonego oraz w którą stronę jest przenoszony ładunek praca może być dodatnia lub ujemna.
Pracę wykonywaną przez siły zewnętrzne przy przesuwaniu ładunku q z punktu A do punktu B obliczamy ze wzoru : .
Wartość tej pracy nie zależy od kształtu drogi , tylko od odległości początkowej i końcowej przenoszonego ładunku od źródła [ zachowawczy charakter pola].
Praca sił pola wynosi odpowiednio : W sił pola = -W sił zewn.
Wykonanie pracy powoduje zmianę energii potencjalnej przenoszonego ciała , zatem ładunek znajdujący się w polu elektrostatycznym posiada elektryczną energię potencjalną [E] równą pracy wykonywanej przez siły zewnętrzne podczas przenoszenia ładunku q z nieskończoności do  punktu odległego o r od ładunku źródłowego ruchem jednostajnym .

Energia potencjalna ładunku wyraża się wzorem: .
Pracę możemy zatem obliczać z wzoru :   W z (A-B) = E p B - E p A.
Energia potencjalna ładunku może być dodatnia lub ujemna w zależności od znaków ładunków, może rosnąć lub maleć przy zmianie odległości od źródła , zależnie od znaków ładunku źródła [Q] i ładunku w polu [q].

Potencjał i napięcie

Stosunek [iloraz] energii potencjalnej [E p] ładunku q znajdującego się w danym punkcie pola elektrostatycznego do wartości tego ładunku nazywamy potencjałem elektrostatycznym tego punktu [V].    
Jednostką potencjału jest jeden wolt () .
Wykorzystując wzór na energię potencjalną ładunku otrzymujemy: .
Wynika z niego , że potencjał zależy od ładunku źródłowego [Q] i odległości punktu pola od tego ładunku. Znak ładunku decyduje o tym , czy potencjał jest dodatni, czy ujemny. Potencjał jest wielkością skalarną [wyrażoną tylko wartością] i z tego powodu potencjał w punkcie , w którym nakładają się dwa lub więcej pól, jest sumą algebraiczną potencjałów pól składowych.

Różnicę potencjałów pomiędzy dwoma punktami pola nazywamy napięciem i oznaczamy literą U .
Znajomość potencjałów dwóch punktów pola umożliwia nam obliczanie pracy z równania:
z A-B = q ( VB - VA )  = q U            i      W sił pola = q ( VA - VB )
Napięcie U jest  zatem równe : , czyli jest równe stosunkowi pracy wykonywanej podczas przenoszenia ładunku q [z punktu A do punktu B] do jego wartości. Jednostką napięcia jest .