इलेक्ट्रिक फील्ड वैशिष्ट्ये

लेख विद्युत क्षेत्राच्या मुख्य वैशिष्ट्यांचे वर्णन करतो: संभाव्य, व्होल्टेज आणि तीव्रता.

विद्युत क्षेत्र म्हणजे काय

इलेक्ट्रिक फील्ड तयार करण्यासाठी, इलेक्ट्रिक चार्ज तयार करणे आवश्यक आहे. चार्जेस (चार्ज्ड बॉडीज) भोवतीच्या जागेचे गुणधर्म त्या जागेच्या गुणधर्मांपेक्षा भिन्न असतात ज्यामध्ये कोणतेही शुल्क नसते. त्याच वेळी, स्पेसचे गुणधर्म, जेव्हा त्यात इलेक्ट्रिक चार्ज येतो, तेव्हा लगेच बदलत नाही: बदल चार्जपासून सुरू होतो आणि एका विशिष्ट वेगाने स्पेसच्या एका बिंदूपासून दुसऱ्या बिंदूपर्यंत पसरतो.

चार्ज असलेल्या स्पेसमध्ये, त्या स्पेसमध्ये सादर केलेल्या इतर चार्जांवर कार्य करणार्या यांत्रिक शक्ती प्रकट होतात. ही शक्ती एका चार्जच्या दुसर्‍यावरील थेट कृतीचा परिणाम नसून गुणात्मक बदललेल्या माध्यमाद्वारे केलेल्या कृतीचा परिणाम आहे.

विद्युत शुल्काच्या सभोवतालची जागा, ज्यामध्ये विद्युत शुल्कांवर कार्य करणारी शक्ती प्रकट होते, त्याला विद्युत क्षेत्र म्हणतात.

इलेक्ट्रिक फील्डमधील चार्ज फील्डच्या बाजूने त्याच्यावर कार्य करणाऱ्या बलाच्या दिशेने फिरतो.अशा चार्जची उर्वरित स्थिती तेव्हाच शक्य आहे जेव्हा विद्युत क्षेत्राची ताकद संतुलित करणार्‍या चार्जवर काही बाह्य (बाह्य) बल लागू केले जाते.

बाह्य शक्ती आणि क्षेत्रीय शक्ती यांच्यातील संतुलन बिघडले की, चार्ज पुन्हा हलू लागतो. त्याच्या हालचालीची दिशा नेहमी मोठ्या शक्तीच्या दिशेशी जुळते.

स्पष्टतेसाठी, इलेक्ट्रिक फील्ड सामान्यतः तथाकथित इलेक्ट्रिक फील्ड लाइन्सद्वारे दर्शविले जाते. या रेषा विद्युत क्षेत्रात कार्यरत असलेल्या शक्तींच्या दिशेशी जुळतात. त्याच वेळी, इतक्या रेषा काढण्याचे मान्य केले गेले की रेषांना लंब स्थापित केलेल्या क्षेत्राच्या प्रत्येक 1 सेमी 2 साठी त्यांची संख्या संबंधित बिंदूवरील फील्डच्या ताकदीच्या प्रमाणात असेल.

फील्डची दिशा सामान्यतः दिलेल्या फील्डमध्ये ठेवलेल्या सकारात्मक चार्जवर कार्य करणार्या फील्ड शक्तीची दिशा मानली जाते. पॉझिटिव्ह चार्जेस पॉझिटिव्ह चार्जेसद्वारे मागे टाकले जातात आणि नकारात्मक शुल्काकडे आकर्षित होतात. म्हणून, फील्ड सकारात्मक ते नकारात्मक शुल्काकडे निर्देशित केले जाते.

बलाच्या रेषांची दिशा बाणांनी रेखाचित्रांमध्ये दर्शविली आहे. विज्ञानाने हे सिद्ध केले आहे की विद्युत क्षेत्राच्या बलाच्या रेषांना सुरुवात आणि शेवट आहे, म्हणजेच ते स्वतःच बंद होत नाहीत. क्षेत्राच्या गृहित दिशेच्या आधारावर, आम्हाला आढळते की शक्तीच्या रेषा सकारात्मक चार्जेसने सुरू होतात (सकारात्मक चार्ज केलेल्या बॉडीज) आणि नकारात्मक चार्जेससह समाप्त होतात.

तांदूळ. 1. शक्तीच्या रेषा वापरून विद्युत क्षेत्राच्या प्रतिमेची उदाहरणे: a — एकल सकारात्मक चार्ज असलेले विद्युत क्षेत्र, b — एकल ऋण शुल्क असलेले विद्युत क्षेत्र, c — दोन विरुद्ध शुल्कांचे विद्युत क्षेत्र, d — एक दोन सारख्या चार्जांचे विद्युत क्षेत्र

अंजीर मध्ये.1 शक्तीच्या रेषा वापरून चित्रित केलेल्या विद्युत क्षेत्राची उदाहरणे दाखवते. हे लक्षात ठेवले पाहिजे की इलेक्ट्रिक फील्ड लाइन्स हे फील्डचे ग्राफिकली प्रतिनिधित्व करण्याचा एक मार्ग आहे. येथे बल संकल्पनेच्या रेषेला कोणताही मोठा अर्थ नाही.

कुलॉम्बचा कायदा

दोन शुल्कांमधील परस्परसंवादाची ताकद आकार आणि परस्पर व्यवस्थेवर तसेच त्यांच्या वातावरणातील भौतिक गुणधर्मांवर अवलंबून असते.

दोन विद्युतीकृत भौतिक शरीरांसाठी, ज्याचे परिमाण शरीरांमधील अंतराच्या तुलनेत क्षुल्लक आहेत, परस्परसंवादाचे उपचार खालीलप्रमाणे गणितीयरित्या निर्धारित केले जातात:

जेथे F हे न्यूटन (N) मधील शुल्काच्या परस्परसंवादाचे बल आहे, k — मीटर (m), Q1 आणि Q2 मधील शुल्कांमधील अंतर — कुलॉम्ब्स (k) मधील विद्युत शुल्काचे परिमाण, k हे आनुपातिकता गुणांक आहे, ज्याचे मूल्य शुल्काच्या आसपासच्या माध्यमाच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असते.

वरील सूत्र असे वाचते: दोन बिंदू शुल्कांमधील परस्परसंवादाची शक्ती या शुल्कांच्या परिमाणांच्या गुणाकाराच्या थेट प्रमाणात असते आणि त्यांच्यामधील अंतराच्या वर्गाच्या व्यस्त प्रमाणात असते (कुलॉम्बचा नियम).

आनुपातिकता घटक k निर्धारित करण्यासाठी, k = 1 /(4πεεO) अभिव्यक्ती वापरा.

विद्युत क्षेत्र क्षमता

जर चार्जवर कार्य करणारी फील्ड फोर्स कोणत्याही बाह्य शक्तींद्वारे संतुलित नसतील तर इलेक्ट्रिक फील्ड नेहमी चार्जला गती देते. हे सूचित करते की विद्युत क्षेत्रामध्ये संभाव्य ऊर्जा आहे, म्हणजेच कार्य करण्याची क्षमता.

अंतराळातील एका बिंदूपासून दुस-या बिंदूवर चार्ज हलवून, विद्युत क्षेत्र कार्य करते, परिणामी फील्डला संभाव्य ऊर्जेचा पुरवठा कमी होतो.फील्ड फोर्सच्या विरुद्ध कार्य करणार्‍या काही बाह्य शक्तीच्या क्रियेखाली विद्युत क्षेत्रामध्ये चार्ज फिरला, तर कार्य विद्युत क्षेत्रीय शक्तींद्वारे नाही तर बाह्य शक्तींद्वारे केले जाते. या प्रकरणात, फील्डची संभाव्य ऊर्जा केवळ कमी होत नाही, तर उलट वाढते.

विद्युत क्षेत्रामध्ये चार्ज हलवणाऱ्या बाह्य शक्तीने केलेले कार्य त्या गतीला विरोध करणाऱ्या फील्ड फोर्सच्या विशालतेच्या प्रमाणात असते. या प्रकरणात बाह्य शक्तींनी केलेले कार्य संपूर्णपणे क्षेत्राची संभाव्य ऊर्जा वाढविण्यासाठी खर्च केले जाते. फील्डला त्याच्या संभाव्य उर्जेच्या बाजूने वैशिष्ट्यीकृत करण्यासाठी, विद्युत क्षेत्र संभाव्य नावाची मात्रा म्हणतात.

या प्रमाणाचे सार खालीलप्रमाणे आहे. समजा धन शुल्क विचाराधीन विद्युत क्षेत्राच्या बाहेर आहे. याचा अर्थ असा आहे की दिलेल्या शुल्कावर फील्डचा व्यावहारिकपणे कोणताही परिणाम होत नाही. बाह्य शक्तीने हा चार्ज विद्युत क्षेत्रामध्ये आणू द्या आणि फील्ड फोर्सने केलेल्या गतीच्या प्रतिकारावर मात करून, फील्डमधील दिलेल्या बिंदूवर चार्ज हलवा. बलाद्वारे केलेले कार्य, आणि त्यामुळे क्षेत्राची संभाव्य उर्जा किती प्रमाणात वाढली आहे, हे पूर्णपणे क्षेत्राच्या गुणधर्मांवर अवलंबून असते. म्हणून, हे कार्य दिलेल्या विद्युत क्षेत्राची उर्जा दर्शवू शकते.

फील्डमध्ये दिलेल्या पॉईंटवर ठेवलेल्या पॉझिटिव्ह चार्जच्या युनिटशी संबंधित इलेक्ट्रिक फील्ड एनर्जीला दिलेल्या बिंदूवर फील्ड पोटेंशिअल म्हणतात.

जर संभाव्यता φ अक्षराने दर्शविली असेल, q अक्षराने शुल्क आणि W द्वारे चार्ज हलवण्यावर खर्च केलेले काम, तर दिलेल्या बिंदूवरील फील्ड संभाव्यता φ = W/q या सूत्राद्वारे व्यक्त केली जाईल.

हे खालीलप्रमाणे आहे की दिलेल्या बिंदूवर विद्युत क्षेत्राची संभाव्यता संख्यात्मकदृष्ट्या बाह्य शक्तीने केलेल्या कार्याच्या समान असते जेव्हा एकक सकारात्मक चार्ज फील्डच्या बाहेर दिलेल्या बिंदूकडे जातो. फील्ड क्षमता व्होल्ट (V) मध्ये मोजली जाते. जर फील्डच्या बाहेर एक कूलंब वीज एका दिलेल्या बिंदूवर हस्तांतरित करताना, बाह्य शक्तींनी एका ज्युलच्या बरोबरीने कार्य केले असेल, तर फील्डमधील दिलेल्या बिंदूवरील संभाव्यता एक व्होल्टच्या बरोबरीची आहे: 1 व्होल्ट = 1 जूल / 1 कूलॉम्ब

इलेक्ट्रिक फील्ड ताकद

कोणत्याही विद्युत क्षेत्रामध्ये, सकारात्मक शुल्के उच्च क्षमतेच्या बिंदूंपासून कमी क्षमतेच्या बिंदूंकडे जातात. याउलट, ऋण शुल्क कमी क्षमतेच्या बिंदूंपासून उच्च क्षमतेच्या बिंदूंकडे सरकते. दोन्ही प्रकरणांमध्ये, विद्युत क्षेत्राच्या संभाव्य ऊर्जेच्या खर्चावर काम केले जाते.

जर आपल्याला हे कार्य माहित असेल, म्हणजे पॉझिटिव्ह चार्ज q फील्डच्या बिंदू 1 वरून बिंदू 2 वर गेल्यावर फील्डची संभाव्य उर्जा कमी झाली आहे, तर या बिंदूंमधील व्होल्टेज शोधणे सोपे आहे. फील्ड U1,2:

U1,2 = A/q,

जेथे A हे फील्ड फोर्सद्वारे केले जाणारे कार्य आहे जेव्हा चार्ज q बिंदू 1 वरून बिंदू 2 मध्ये हस्तांतरित केला जातो. विद्युत क्षेत्रातील दोन बिंदूंमधील व्होल्टेज संख्यात्मकदृष्ट्या शून्याने एका बिंदूपासून एकक सकारात्मक शुल्क हस्तांतरित करण्यासाठी केलेल्या कामाच्या समान असते दुसऱ्या शेतात.

जसे पाहिले जाऊ शकते, फील्डच्या दोन बिंदूंमधील व्होल्टेज आणि समान बिंदूंमधील संभाव्य फरक समान भौतिक एकक दर्शवतात… म्हणून, व्होल्टेज आणि संभाव्य फरक या संज्ञा समान आहेत. व्होल्टेज व्होल्ट (V) मध्ये मोजले जाते.

दोन बिंदूंमधील व्होल्टेज एका व्होल्टच्या बरोबरीचे असते जर, फील्डच्या एका बिंदूपासून दुसर्‍या बिंदूमध्ये एक कूलंब वीज हस्तांतरित करताना, फील्ड फोर्स एका ज्युलच्या बरोबरीने कार्य करतात: 1 व्होल्ट = 1 जूल / 1 कूलंब

इलेक्ट्रिक फील्ड ताकद

कौलॉम्बच्या नियमानुसार हे लक्षात येते की या फील्डमध्ये ठेवलेल्या दुसर्‍या चार्जवर कार्य करणाऱ्या दिलेल्या चार्जची इलेक्ट्रिक फील्ड ताकद फील्डच्या सर्व बिंदूंवर सारखी नसते. कोणत्याही बिंदूवर विद्युत क्षेत्र हे दिलेल्या बिंदूवर ठेवलेल्या एकक सकारात्मक चार्जवर कार्य करते त्या बलाच्या विशालतेद्वारे वैशिष्ट्यीकृत केले जाऊ शकते.

हे मूल्य जाणून घेतल्यास, प्रत्येक चार्ज Q वर कार्य करणारे F बल निर्धारित केले जाऊ शकते. तुम्ही असे लिहू शकता की F = Q x E, जेथे F हे विद्युत क्षेत्राद्वारे फील्डमधील एका बिंदूवर लावलेल्या Q चार्जवर कार्य करणारे बल आहे, E आहे फील्डमध्ये त्याच बिंदूवर ठेवलेल्या युनिट पॉझिटिव्ह चार्जवर कार्य करणारे बल. फील्डमधील दिलेल्या बिंदूवर युनिट पॉझिटिव्ह चार्जद्वारे अनुभवल्या जाणार्‍या शक्तीच्या संख्या E संख्यात्मकदृष्ट्या समान आहे, त्याला विद्युत क्षेत्र शक्ती म्हणतात.