Elektrostatická síla se vyvíjí pod fyzikálním polem nazývaným elektrické pole, které obklopuje přitahující nebo odpuzující náboje. Článek pojednává o tom, co je elektrostatická síla a pole a jak spolu souvisí.
Každý náboj je uzavřen svým polem nebo rozložením energie, které přenáší své elektrické vlastnosti přes prostory na další náboje. Tak se pole jeho náboje přibližuje jiným nábojům a jakmile se přiblíží, působí elektrostatickou silou bez fyzického kontaktu.
In předchozí články, dozvěděli jsme se o gravitační síla mezi dvěma vzájemně se ovlivňujícími hmotnými objekty. Chcete-li uplatnit gravitační síla, kolem Země musí být pole a jsou to všechny ostatní hmoty, takže když toho pole dosáhne jiná hmota, obě hmoty zažijí gravitační sílu. Podobně elektrostatická síla, bezkontaktní síla, působí mezi dvěma náboji, když jsou v elektrostatickém poli. Je to proto, že gravitace a elektrostatická síla následují zákon inverzní čtverce když jsou dvě hmoty odděleny vzdáleností.
Elektrické pole je vlastnost elektrického náboje přítomná v každém bodě prostoru. Velikost směru pole se nazývá intenzita elektrického pole resp intenzita pole který se v různých bodech prostoru liší. Pole se mění podle náboje, ale jelikož pochází z Coulombův zákon inverzní čtverce vzdálenosti, pole se nepřímo mění s druhou mocninou vzdálenosti od náboje. To znamená, že pokud zdvojnásobíme velikost náboje, pole se zdvojnásobí. Ale dvakrát tolik vzdálenost z náboje má pole jednu čtvrtinu původní síly.
Elektrické pole je znázorněno nakreslenými čarami, které se nazývají siločáry kolem náboje. Směr pole znázorněný šipkou je spolu s elektrostatickou silou. Velikost elektrického pole závisí na tom, jak je náboj distribuován do prostoru.
(kredit: Shutterstock)
Pochopili jsme, že elektrostatická síla působí mezi dvěma náboji na určitou vzdálenost. Ale místo dvou považujeme jeden náboj za „zdrojový náboj“, ze kterého se vyvinulo elektrické pole. Druhý náboj přivedený do pole zdrojového náboje se nazývá „zkušební náboj'. V důsledku nepřímé elektrické interakce mezi elektrickým polem a zkušebním nábojem přes zdrojový náboj, elektrostatická síla použitá ze zdrojového náboje do zkušebního náboje podle Coulombův zákon.
Testovací náboj také nese své elektrické pole, které mění stávající pole zdrojového náboje. Bodový zdroj tedy využívá elektrostatickou sílu ke zdroji náboje pod svým elektrickým polem. Aby ο výsledná elektrostatická síla mezi dvěma nabitími se zvyšuje.
Směr siločar závisí na polaritě náboje. Neutrální náboje kolem něj nevytvářejí pole ani siločáry. Pokud je zdrojový náboj kladný, jeho siločáry směřují radiálně ven. Pokud je negativní, pak směřují radiálně dovnitř.
- Pokud jsou oba náboje stejné nebo pozitivní a pozitivní nebo negativní nebo negativní, siločáry jejich příslušného pole se nikdy neshodují, protože se navzájem odpuzují.
- Pokud jsou odlišné nebo kladné a záporné náboje, jejich siločáry se shodují, protože se navzájem přitahují.
(kredit: Shutterstock)
V případě odlišných nábojů je radiálně vnější siločára začleněna do radiálně vnitřních siločar negativní zkušební náboj, na který působí elektrostatická síla namáhá.
Přečtěte si více o elektrostatickém náboji.
Příklad elektrostatické síly a pole
Předpokládejme, že na konec tyče připojíme kladný zkušební náboj. Nošením tyče na různém místě můžeme experimentovat s elektrickým polem testovacích nábojů v různých bodech.
Poté zažijeme tlak nebo tah na tyč, když zkušební náboje přitahují nebo odpuzují jiné náboje v důsledku elektrostatické síly. Pokud oddálíme zdrojový náboj od zkušebního náboje, jeho elektrické pole zůstane v tomto bodě stejné.
(kredit: Shutterstock)
Elektrické pole tedy rozděluje elektrostatickou sílu ze zdrojového náboje do malého zkušebního náboje v různých bodech v prostoru.
Osvětlení vychází z elektrické pole mezi studenými bouřkovými mraky a horkým zemským povrchem. Elektricky nabité oblasti vyvolávají blesky kvůli elektrostatický výboj vzduchem, který funguje jako izolant mezi dvěma regiony. Když se izolační kapacita vzduchu, který drží opačné náboje, rozbije, dojde k okamžitému výboji elektřiny ve formě blesku.
(kredit: okenice)
V dřívějším procesu vnitromrakové blesky nastane, když náboje zůstanou v oblaku, když je síla elektrického pole obou oblastí stejná. Později, když síla pole Země zesílila než mraky, začaly nálože dosáhnout zemského povrchu, což vedlo k blesk z mraku na zemi.
Přečtěte si o tématu Druhy sil.
Vztah mezi elektrickým polem a elektrostatickou silou
Elektrické pole a elektrostatická síla souvisí s velikostí zkušebního náboje.
Elektrické pole E zdrojového náboje je elektrostatická síla F na jednotku zkušebního náboje q. Elektrické pole se tedy zmenšuje, jak se vzdálenost radiálně od zdrojového náboje zvětšuje. Je popsána elektrostatickou silou v různých bodech pomocí Coulombova zákona Inverzní čtverec vzorce.
Elektrostatický náboj působí silou, aniž by musel fyzický kontakt. Můžeme si tedy představit, že kolem obou nábojů existuje elektrické pole pro jeho elektrostatické výměny. V takovém případě je síla skutečná, zatímco pole je imaginární.
Protože elektrické pole je vektorové veličiny, má v různých bodech prostoru různé intenzity. Síla vyvíjená zdrojovým nábojem se tedy mění od bodu k bodu.
Elektrické pole a elektrostatická síla spolu souvisí,
Jednotkou měření elektrostatického pole (SI) je tedy Newton/Coulomb (N/C).
Pojďme analyzovat elektrické pole způsobené kladným zdrojovým nábojem Q působícím elektrostatickou silou F na dva různé zkušební náboje ve stejné vzdálenosti r od náboje Q.
- Pokud zkušební náboj q1 je kladný, jejich siločáry směřují radiálně pryč a elektrostatická síla mezi nimi je odpudivá.
- Pokud q1 je negativní, jejich siločáry směřují radiálně k sobě a elektrostatická síla mezi nimi je přitažlivá.
Z obou bodů, elektrostatická síla F závisí na obou nábojích, i když je na sebe navzájem působí v elektrickém poli.
Elektrostatická síla mezi náboji je součinem elektrického pole a velikosti zkušebního náboje, a je dáno tím,
Z rovnice (*) a (1) se dozvíme elektrické pole F a elektrostatická síla je ve stejném směru.
Elektrostatická síla způsobená Coulombovým zákonem přitažlivosti nebo odpuzování je,
Z rovnice (*), velikost elektrického pole E darováno,
Pomocí rovnice (2)
Výše uvedená rovnice to ukazuje elektrické pole E závisí na zdrojovém náboji Q a jeho vzdálenosti r. Zatímco testovací náboj q je malý, nemění distribuci zdrojového náboje a vytváří své elektrické pole.
Problémy elektrostatické síly a elektrického pole
Předpokládejme, že zdrojový náboj 10 nC je oddělen od testovacího náboje na 10 m. Jaká je velikost elektrického pole zdrojového náboje? (ke = 9 x 109Nm2c-2)
Vzhledem k:
Q = 10 nC = 10 x 10-9 C
r = 10 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Najít: E =?
Vzorec:
Řešení:
Elektrické pole mezi náboji se vypočítá jako,
Nahrazení všech hodnot,
E = 90/100
E = 0.9
Elektrické pole zdrojového náboje je 0.9 N/C.
Předpokládejme, že oba náboje 5nC vzájemně působí na vzdálenost 5m. Jaká je elektrostatická síla mezi interagujícími náboji? Vypočítejte elektrické pole.
Vzhledem k:
q1 = 5nC = 5 x 10-9 C
q2 = 5nC = 5 x 10-9 C
r = 5 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Najít:
- F=?
- E =?
Vzorec:
- E = F/q2
Řešení:
Projekt elektrostatická síla mezi náboji se počítá jako,
Nahrazení všech hodnot,
F = 9 x 10-9
Elektrostatická síla mezi náboji je 9 x 10-9N.
Elektrické pole mezi náboji se vypočítá jako,
E = F/q2
Nahrazení všech hodnot,
Elektrické pole mezi náboji je 1.8 x 10-9N/C.
V paralelním deskovém kondenzátoru jsou dvě desky odděleny dielektrickým médiem ve vzdálenosti 5 cm. Pokud je elektrické pole mezi náboji vyvinutými na desce 2N/C. Vypočítejte elektrostatickou sílu mezi nimi, mají-li oba náboje stejnou velikost.
Vzhledem k:
E = 2 N/C
r = 5 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Najít:
- q1 =?
- q2 =?
- F =?
Vzorec:
Řešení:
Velikost zdrojového náboje se vypočítá pomocí Vzorec elektrického pole.
Nahrazení všech hodnot,
přeskupení,
q1 = 5.5 x 10-9
Oba náboje mají stejnou velikost. tj. q1 =q2 = 5.5 nC
Velikost obou nábojů je 5.5 nC.
Elektrostatická síla mezi oběma náboji se vypočítá pomocí Coulombův zákon.
Nahrazení všech hodnot,
F = 10.89 x 10-9
Elektrostatická síla mezi náboji je 10.89 x 10-9N.
Přečtěte si více o Jak vypočítat sílu.
Rozdíl mezi elektrostatickou silou a elektrickým polem
| Elektrostatická síla | Elektrické pole |
| Vzniká, když se dva vzájemně působící náboje přiblíží k sobě. | Je generován pouze z jednoho zdroje nebo bodového náboje. |
| Urychluje nabíjení. | Nezrychluje nabíjení. |
| Jeho velikost a směr závisí jak na zdroji, tak na testovacích nábojích. | Jeho velikost a směr závisí pouze na zdrojovém náboji. |
| Je to poměr součinu nábojů ke druhé mocnině vzdálenosti mezi náboji. | Je to poměr elektrostatické síly ke zkušebnímu náboji. |
| Jeho Coulombův vzorec je, | Jeho Coulombův vzorec je, |
| Jeho měřicí jednotkou je Newton (N). | Jeho měřicí jednotkou je Newton/Coulomb (N/C). |
Také čtení:
- Je magnetické pole a magnetická síla stejné
- Je elektrostatická síla konzervativní
- Jak najít čistou sílu s hmotností a rychlostí
- Příklad Coriolisovy síly
- Odstředivá síla vs Coriolisova síla
- Jak najít normálovou sílu s hmotností a zrychlením
- Je svalová síla kontaktní síla
- Je magnetický tok magnetická síla
- Jak najít normálovou sílu se zrychlením
- Síla na pohybující se náboj v magnetickém poli
Dobrý den, jsem Manish Naik absolvoval magisterský titul z fyziky se specializací Solid-State Electronics. Mám tři roky zkušeností s psaním článků na téma fyzika. Psaní, jehož cílem bylo poskytnout přesné informace všem čtenářům, od začátečníků i odborníků.
Ve svém volném čase rád trávím čas v přírodě nebo navštěvuji historická místa.
Těšíme se na spojení přes LinkedIn –
