Elektriskā lauka intensitāte
Kā mēs noskaidrojām iepriekš, punktveida elektrisko lādiņu mijiedabību apraksta Kulona likums. Šajā likumā lādiņu vērtības ieiet simetriski, bet bieži vien ir ērti iedomāties, ka viens no lādiņiem rada ap sevi elektrisko lauku, kurš savukārt iedarbojas uz otro lādiņu. No šī skatpunkta elektrisko lauku raksturo tikai tā lādiņa īpašības, kurš šo lauku ir radījis, bet ne tā lādiņa īpašības, kas šo lauku ''izjūt''.
Elektriskajam laukam piemīt vairākas īpašības, bet pievērsīsimies vienai no tām. Elektriskā lauka intensitāte (\(E\)) raksturo lauku izvēlētajā telpas punkā un ir skaitlisiski vienāda ar spēku, kas darbotos uz vienības punktveida testa lādiņu, ja to novietotu dotajā telpas punktā. Matemātiski elektriskā lauka intensitāti definē kā
\(\overrightarrow{E} =\frac{\overrightarrow{F}}{q}\) .
Pievērsiet uzmanību tam, ka \(E\) ir vektoriāls lielums — to raksturo ne tikai skaitliskā vērtība, bet arī virziens. \(E\) virzienu nosaka pēc Kulona spēka virziena, kas darbotos uz pozitīvo testa lādiņu. Ja testa lādiņš ir negatīvs, \(E\) un \(F\) vektori ir pretēji vērsti (1. attēls).
1.att.
Ja telpā pastāv elektriskais lauks, tad nostājoties kādā telpas puntā un visu laiku pārvietojoties lauka virzienā, mēs iezīmēsim kādu līniju, ko sauc par spēka (lauka) līniju. Atkarībā no izvēlētā sākotnējā telpas punktā, var iezīmēt bezgala daudz spēka līniju (2. attēls).
2.att.
Ap punktveida lādiņu lauks ir sfēriski simetrisks: spēka līinjas ir stari, kas iziet no pozitīvā lādiņa vai ieiet negatīvajā (3. un 4. attēls).
3.att.
4.att.
Izmantojot Kulona likumu, var secināt, ka lauka intensitātes modulis ap punktveida lādiņu \(Q\) ir
\(E=\frac{F}{q}=(k\frac{Qq}{r^2})\frac{1}{q}=k\frac{Q}{r^2}\),
kur \(Q\) ir lādiņš, kas rada lauku, un r ir attālums no šī lādiņa līdz novērošanas punktam. Tieši tāda pati spēka līniju aina un \(E\)(\(r\)) matemātiskā atkarība būs arī tad, ja punktveida lādiņu aizvieto ar ladēto sfēru. Šeit tomēr ir jābūt uzmanīgam: ja ladētā sfēra pati atrodas ārējā elektriskajā laukā, un elektroni tajā spēj brīvi pārvietoties, sfēras radītais lauks var atšķirties no apskatītā.
Elektrostatiskā lauka līnijām ir sekojošas īpašības:
- tās sākas uz pozitīviem lādiņiem vai uz bezgalības;
- tās beidzas uz negatīviem lādiņiem vai uz bezgalības;
- jo blīvāk tās ir izvietotas ap kādu telpas punktu, jo stiprāks šajā punktā ir lauks.
Vairāku lauka avotu intensitāte
Iepriekšējā sadaļā mēs noskaidrojām, kā izskatās elektriskais lauks ap punktveida lādiņu. Tomēr dzīvē mēs reti saskaramies ar situācijām, kad lauku rada viena vienīgā daļiņa. Daudz biežāk lauku radīs liels lādēto daļiņu skaits. Tā, piemēram, ķemmējot matus, uz elektrizētās ķemmes virsmas atradīsies miljoniem ''lieko'' elektronu, bet uz matiem tik pat daudz elektronu iztrūks. Aprakstīt tādus lādiņu sadalījumus ir izaicinoši, tāpēc pievērsīsimies vieglākam jautājumam: kā izskatās elektriskais lauks telpā ap diviem punktveida lādiņiem?
Svarīgi ir atcerēties, ka elektriskais lauks ir aditīvs jeb tam ir spēkā superpozīcijas princips: elektriskā lauka intensitāte kādā telpas punktā ir vienāda ar vektoriālo summu no visu to lauku intensitātēm, kas pastāv šajā punktā. Īsāk sakot,
\(\overrightarrow{E}=\overrightarrow{E}_1+\overrightarrow{E}_2+\overrightarrow{E}_3+...\)
Parādīsim šo principu grafiski (1. attēls). Jebkurā telpas punktā pozitīvs lādiņš \(q_1\) rada lauku \(\overrightarrow{E}_1\) (oranžā krāsā), bet negatīvs lādiņš \(q_2\) — lauku \(\overrightarrow{E}_2\) (zaļā krāsā). Šie divi lauki saskaitās, veidojot kopējo lauku \(\overrightarrow{E}\) (zilā krāsā). Tāpat kā iepriekš, šo kopējo lauku ir ērti attēlot, izmantojot lauka līnijas (2. attēls). Arī šajā gadījumā lauka līnijas iziet no pozitīvā lādiņa un ieiet negatīvajā.
1.att.
2.att.
Apskatīsimies arī, kā lauku superpozīcijas princips darbojas, ja mums ir divi pozitīvie lādiņi (3. un 4. attēls).
3.att.
4.att.