Електричното поле

Законът на Кулон

Два точкови заряда си действат със сила, която е право пропорционална на зарядите и обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях:

F = k · q₁ · q₂ / r²

Тук k = 9·10⁹ N·m²/C². Еднаквите заряди се отблъскват, различните се привличат. Двата заряда си действат с равни по големина и противоположни сили – колкото и различни да са.

Не „големият бута по-силно“. Заряд от 5 µC и заряд от 0,5 µC на 15 cm си действат с по 1 N.

Полето е посредник

Зарядът създава около себе си електрично поле. Другият заряд не „усеща“ първия направо, а полето там, където се намира. За да измерим полето, слагаме малък пробен заряд q₀ и мерим силата върху него. Интензитетът на полето е силата на единица заряд:

E = F / q₀

Интензитетът е свойство на точката, не на пробния заряд: два пъти по-голям пробен заряд изпитва два пъти по-голяма сила, но E остава същото. Единицата е N/C (същото като V/m). За точков заряд q на разстояние r:

E = k · q / r²

Два пъти по-далеч от заряда полето е четири пъти по-слабо.

Няколко заряда

Полетата на няколко заряда се събират като вектори – като силите. Затова по средата между два еднакви заряда полето е нула, а над нея не е двойно, а по-малко. При два заряда има „тихо място“ с нулево поле: при еднакви знаци – между тях, по-близо до по-малкия; при различни – извън тях, откъм по-малкия.

Потенциал и напрежение

Потенциалът в точка е потенциалната енергия на единица заряд: φ = W / q₀. Напрежението между две точки A и B е разликата на потенциалите U = φ_A − φ_B, а работата на полето при преместване на пробния заряд от A до B е A = q₀ · U.

Нулев потенциал не значи нулево поле. По средата между +2 µC и −2 µC потенциалът е нула, а полето е силно. По средата между два еднакви заряда е обратното: полето е нула, а потенциалът не е. Потенциалите се събират като числа, а полетата – като вектори.

Силови линии

• Излизат от положителните заряди и влизат в отрицателните.
• Посоката им показва силата върху положителен пробен заряд.
• Където са по-гъсти, полето е по-силно; броят им е пропорционален на заряда.
• Никога не се пресичат: в една точка полето има една посока.
• Поле има и между линиите – те са само рисунка.

Еднородно поле между плочи

Между две успоредни заредени плочи полето е еднакво навсякъде – еднородно. Линиите са успоредни и на равни разстояния, от положителната към отрицателната плоча. За две точки на една силова линия:

E = U / d

Затова пробният заряд изпитва една и съща сила близо до плочата и в средата, а потенциалът расте равномерно от отрицателната към положителната плоча.

Какво е опростено в симулацията

• Зарядите са точки; затова сондата не дава число по-близо от 2 cm до заряд.
• Пробният заряд е толкова малък, че не мести другите заряди.
• Няма проводници и диелектрици – само въздух, почти като вакуум.
• Плочите са идеални: полето им е еднакво чак до ръба.
• Над около 3 милиона волта на метър сухият въздух пробива – симулацията го показва като искра.

Безопасност

• Не прави опити с мрежово напрежение и с уреди за високо напрежение.
• Големите кондензатори пазят заряд и след изключване – не ги пипай.
• Искрите от дрехи и гребени в сухо време са безопасни.