Karakteristik medan listrik

Artikel tersebut menjelaskan karakteristik utama medan listrik: potensial, tegangan, dan intensitas.

Apa itu medan listrik

Untuk membuat medan listrik, perlu dibuat muatan listrik. Sifat ruang di sekitar muatan (benda bermuatan) berbeda dengan sifat ruang di mana tidak ada muatan. Pada saat yang sama, sifat-sifat ruang, ketika muatan listrik dimasukkan ke dalamnya, tidak langsung berubah: perubahan dimulai dari muatan dan menyebar dengan kecepatan tertentu dari satu titik di ruang angkasa ke titik lainnya.

Dalam ruang yang berisi muatan, gaya mekanis yang bekerja pada muatan lain yang dimasukkan ke dalam ruang tersebut terwujud. Kekuatan-kekuatan ini bukanlah hasil dari tindakan langsung dari satu muatan ke muatan lain, tetapi dari tindakan melalui media yang diubah secara kualitatif.

Ruang di sekitar muatan listrik, di mana gaya yang bekerja pada muatan listrik yang dimasukkan ke dalamnya terwujud, disebut medan listrik.

Muatan dalam medan listrik bergerak ke arah gaya yang bekerja padanya dari sisi medan.Keadaan istirahat dari muatan semacam itu hanya mungkin terjadi ketika beberapa gaya eksternal (eksternal) diterapkan pada muatan yang menyeimbangkan kekuatan medan listrik.

Segera setelah keseimbangan antara gaya eksternal dan kekuatan medan terganggu, muatan mulai bergerak kembali. Arah pergerakannya selalu bertepatan dengan arah gaya yang lebih besar.

Untuk kejelasan, medan listrik biasanya diwakili oleh apa yang disebut garis medan listrik. Garis-garis ini bertepatan dengan arah gaya yang bekerja di medan listrik. Pada saat yang sama, disepakati untuk menggambar begitu banyak garis sehingga jumlahnya untuk setiap 1 cm2 luas yang dipasang tegak lurus dengan garis sebanding dengan kekuatan medan pada titik yang sesuai.

Arah medan biasanya diambil sebagai arah kekuatan medan yang bekerja pada muatan positif yang ditempatkan di medan tertentu. Muatan positif ditolak oleh muatan positif dan tertarik ke muatan negatif. Oleh karena itu, medan diarahkan dari muatan positif ke muatan negatif.

Arah garis gaya ditunjukkan dalam gambar dengan panah. Sains telah membuktikan bahwa garis-garis gaya medan listrik memiliki awal dan akhir, yaitu tidak tertutup dengan sendirinya. Berdasarkan asumsi arah medan, kita menemukan bahwa garis gaya dimulai dengan muatan positif (benda bermuatan positif) dan diakhiri dengan muatan negatif.

Beras. 1. Contoh gambar medan listrik dengan menggunakan garis gaya: a — medan listrik dengan muatan positif tunggal, b — medan listrik dengan muatan negatif tunggal, c — medan listrik dengan dua muatan berlawanan, d — an medan listrik dari dua muatan sejenis

Dalam gambar.1 menunjukkan contoh medan listrik yang digambarkan menggunakan garis gaya. Harus diingat bahwa garis-garis medan listrik hanyalah cara merepresentasikan medan secara grafis. Tidak ada substansi yang lebih besar dari konsep garis gaya di sini.

hukum Coulomb

Kekuatan interaksi antara dua muatan tergantung pada ukuran dan susunan timbal balik muatan, serta pada sifat fisik lingkungannya.

Untuk dua benda fisik yang dialiri listrik, yang dimensinya tidak signifikan dibandingkan dengan jarak antar benda, penyembuhan interaksi ditentukan secara matematis sebagai berikut:

di mana F adalah gaya interaksi muatan dalam newton (N), k — jarak antara muatan dalam meter (m), Q1 dan Q2 — besarnya muatan listrik dalam coulomb (k), k adalah koefisien proporsionalitas, yang nilainya tergantung pada sifat-sifat media yang mengelilingi muatan.

Rumus di atas berbunyi seperti ini: gaya interaksi antara dua muatan titik berbanding lurus dengan perkalian besaran muatan ini dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak di antara keduanya (hukum Coulomb).

Untuk menentukan faktor proporsionalitas k, gunakan ekspresi k = 1 /(4πεεО).

Potensi medan listrik

Medan listrik selalu memberi gerak pada muatan jika gaya medan yang bekerja pada muatan tidak diimbangi oleh gaya eksternal apa pun. Ini menyiratkan bahwa medan listrik memiliki energi potensial, yaitu kemampuan untuk melakukan pekerjaan.

Dengan memindahkan muatan dari satu titik di ruang angkasa ke titik lain, medan listrik bekerja, akibatnya suplai energi potensial ke medan berkurang.Jika muatan bergerak dalam medan listrik di bawah aksi beberapa gaya luar yang bekerja berlawanan dengan gaya medan, maka usaha dilakukan bukan oleh gaya medan listrik, tetapi oleh gaya luar. Dalam hal ini, energi potensial medan tidak hanya tidak berkurang, tetapi sebaliknya meningkat.

Usaha yang dilakukan oleh gaya luar yang menggerakkan muatan dalam medan listrik sebanding dengan besarnya gaya medan yang melawan gerak tersebut. Pekerjaan yang dilakukan dalam hal ini oleh gaya eksternal seluruhnya dihabiskan untuk meningkatkan energi potensial medan. Untuk mengkarakterisasi medan dari sisi energi potensialnya, disebut besaran potensial medan listrik.

Inti dari kuantitas ini adalah sebagai berikut. Misalkan muatan positif berada di luar medan listrik yang ditinjau. Artinya, medan praktis tidak berpengaruh pada muatan yang diberikan. Biarkan gaya eksternal memasukkan muatan ini ke dalam medan listrik dan, mengatasi hambatan gerak yang diberikan oleh gaya medan, pindahkan muatan ke titik tertentu di medan. Usaha yang dilakukan oleh gaya, dan karenanya jumlah peningkatan energi potensial medan, bergantung sepenuhnya pada sifat-sifat medan. Oleh karena itu, pekerjaan ini dapat mengkarakterisasi energi medan listrik tertentu.

Energi medan listrik yang terkait dengan satuan muatan positif yang ditempatkan pada titik tertentu di medan disebut potensial medan pada titik tertentu.

Jika potensi dilambangkan dengan huruf φ, muatan dengan huruf q dan usaha yang dihabiskan untuk memindahkan muatan dengan W, maka potensial medan pada titik tertentu akan dinyatakan dengan rumus φ = W / q.

Oleh karena itu, potensial medan listrik pada suatu titik tertentu secara numerik sama dengan usaha yang dilakukan oleh gaya eksternal ketika satu unit muatan positif bergerak keluar dari medan menuju titik tertentu. Potensi medan diukur dalam volt (V). Jika selama transfer satu coulomb listrik di luar medan ke titik tertentu, gaya eksternal telah melakukan usaha sama dengan satu joule, maka potensial pada titik tertentu di medan sama dengan satu volt: 1 volt = 1 joule / 1 coloumb

Kekuatan medan listrik

Dalam medan listrik apa pun, muatan positif bergerak dari titik potensial tinggi ke titik potensial rendah. Sebaliknya, muatan negatif bergerak dari titik potensial rendah ke titik potensial tinggi. Dalam kedua kasus tersebut, usaha dilakukan dengan mengorbankan energi potensial medan listrik.

Jika kita mengetahui usaha ini, yaitu jumlah energi potensial medan yang berkurang ketika muatan positif q bergerak dari titik 1 medan ke titik 2, maka mudah untuk menemukan tegangan antara titik-titik ini. bidang U1,2:

U1,2 = A/q,

di mana A adalah kerja yang dilakukan oleh gaya medan ketika muatan q dipindahkan dari titik 1 ke titik 2. Tegangan antara dua titik dalam medan listrik secara numerik sama dengan usaha yang dilakukan oleh nol untuk memindahkan satu unit muatan positif dari satu titik di lapangan ke yang lain.

Seperti dapat dilihat, tegangan antara dua titik bidang dan beda potensial antara titik yang sama mewakili satuan fisik yang sama… Oleh karena itu, istilah tegangan dan beda potensial adalah sama. Tegangan diukur dalam volt (V).

Tegangan antara dua titik sama dengan satu volt jika, ketika mentransfer satu coulomb listrik dari satu titik medan ke titik lainnya, gaya medan bekerja sama dengan satu joule: 1 volt = 1 joule / 1 coulomb

Kekuatan medan listrik

Mengikuti hukum Coulomb bahwa kekuatan medan listrik dari muatan tertentu yang bekerja pada muatan lain yang ditempatkan di medan ini tidak sama di semua titik medan. Medan listrik di titik mana pun dapat dicirikan oleh besarnya gaya yang bekerja pada satu unit muatan positif yang ditempatkan di titik tertentu.

Mengetahui nilai ini, gaya F yang bekerja pada setiap muatan Q dapat ditentukan, Anda dapat menulis bahwa F = Q x E, di mana F adalah gaya yang bekerja pada muatan Q yang ditempatkan pada suatu titik di medan oleh medan listrik, E adalah gaya yang bekerja pada muatan positif unit ditempatkan pada titik yang sama di lapangan. Besaran E yang secara numerik sama dengan gaya yang dialami oleh muatan positif satuan pada titik tertentu di medan disebut kuat medan listrik.