Champ électrique

Electromagnétisme
Électricité Magnétisme
Électrostatique Charge électrique Électricité statique Champ électrique Conducteur Isolant Triboélectricité Décharge électrostatique Induction La loi de Coulomb La loi de Gauss Flux électrique / énergie potentielle Moment dipolaire électrique Polarisation
Magnétostatique La loi d'Ampère Champ magnétique Magnétisation Flux magnétique Loi de Biot-Savart Moment de dipôle magnétique La loi de Gauss à magnétisme
Électrodynamique Droit de la force de Lorentz Induction électromagnétique La loi de Faraday La loi de Lenz Déplacement actuel Les équations de Maxwell Champ électromagnétique Un rayonnement électromagnétique Tenseur de Maxwell Vecteur de Poynting Potentiel Liénard-Wiechert Les équations de Jefimenko À courant de Foucault
Réseau électrique Courant électrique Potentiel électrique Tension Résistance La loi d'Ohm circuit de la série Circuit parallèle Courant continu Courant alternatif Force électromotrice Capacitance Inductance Impédance Cavités résonnantes Guides d'ondes
Formulation covariante Tenseur électromagnétique ( tenseur-énergie) Four à courant continu Potentiel électromagnétique à quatre
Les scientifiques Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henri Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

Dans la physique , l'espace entourant une charge électrique ou en présence d'un temps variant champ magnétique possède une propriété appelée un champ électrique. Ce champ électrique exerce une force de sur d'autres objets chargés électriquement. Le concept d'un champ électrique a été introduit par Michael Faraday .

Le champ électrique est un champ de vecteur avec Unités SI newtons par Coulomb (NC ^-1) ou, de façon équivalente, volts par mètre (V ^m-1). Les unités de base du champ électrique sont kg · m ^-3 · s · A ^-1. L'intensité du champ en un point donné est définie comme la force qui serait exercée sur un positif charge de 1 coulomb placé à ce point de test; la direction du champ est donnée par la direction de cette force. Les champs électriques contiennent l'énergie électrique avec densité proportionnelle au carré de l'intensité du champ d'énergie. Le champ électrique est à se charger gravitationnelle accélération est à la masse et densité de force est de volume.

Une charge en mouvement a non seulement un champ électrique mais aussi une champ magnétique et, en général, les champs électriques et magnétiques ne sont pas complètement phénomènes distincts; ce qu'un observateur perçoit comme un champ électrique, un autre observateur dans un autre cadre de référence perçoit comme un mélange de champs électriques et magnétiques. Pour cette raison, on parle de " électromagnétisme "ou" champs électromagnétiques ". Dans la mécanique quantique , les perturbations dans les champs électromagnétiques sont appelés photons , et l'énergie des photons est quantifiée.

Définition

Un stationnaire chargée particule dans un champ électrique subit une vigueur proportionnelle à sa charge donnée par l'équation

où la densité de flux magnétique est donnée par

et où est la force de Coulomb. (Voir la section ci-dessous).

La charge électrique est une caractéristique de certains particules subatomiques, et est quantifiée lorsqu'elle est exprimée comme un multiple de la dite charge élémentaire . Les électrons par convention ont une charge de -1, tandis que les protons ont une charge opposée de 1. Quarks avoir une charge fractionnaire de -1/3 +2/3 ou. Les équivalents de ces antiparticules ont une charge opposée. D'autres particules subatomiques porter de charge électrique, comme muons et tauons.

En général, de même signe se repoussent les particules chargées un de l'autre, bien que différente signe particules chargées attirent. Ceci est exprimé quantitativement dans la loi de Coulomb , qui stipule l'ampleur de la force de répulsion est proportionnelle au produit des deux accusations, et affaiblit proportionnellement au carré de la distance.

La charge électrique d'un objet macroscopique est la somme des charges électriques de ses particules constitutives. Souvent, la charge électrique nette est égale à zéro, étant donné que naturellement le nombre d'électrons dans chaque atome est égal au nombre de protons, de sorte que leurs charges se annulent. Les situations dans lesquelles la charge nette est non nul sont souvent appelés à l'électricité statique. En outre, même lorsque la charge nette est nulle, il peut être distribué de façon non uniforme (par exemple, en raison d'un champ électrique externe), et ensuite le matériau est dit être polarisée, et la charge liée à la polarisation est connu comme charges liées (alors que l'excès de charge provenant de l'extérieur est appelé charge libre). Un mouvement ordonné de particules chargées dans une direction particulière (dans les métaux, ce sont les électrons) est connu comme courant électrique. La nature discrète de charge électrique a été proposée par Michael Faraday dans ses expériences d'électrolyse, alors directement démontrée par Robert Millikan dans son expérience oil-drop.

L'unité SI de la quantité d'électricité ou de charge électrique est le coulomb, ce qui représente environ 6,25 × 10 ¹⁸ charges élémentaires (la charge sur un seul électron ou un proton). Le coulomb est définie comme la quantité de charge qui a traversé la section transversale d'un conducteur électrique transportant un ampère en une seconde. Le symbole est souvent utilisé pour désigner une quantité d'électricité ou de frais. La quantité de charge électrique peut être mesurée directement avec un électromètre, ou indirectement mesurée avec un galvanomètre balistique.

Formellement, une mesure de la charge doit être un multiple de la charge élémentaire (Charge est quantifiée), mais puisque ce est une moyenne, la quantité macroscopique, plusieurs ordres de grandeur supérieure à une charge élémentaire seule, il peut effectivement prendre ne importe quelle valeur réelle. En outre, dans certains contextes, il est utile de parler de fractions d'une charge; par exemple sous la charge d'un condensateur.

Si la particule chargée peut être considéré comme un charge ponctuelle, le champ électrique est définie comme la force qu'il subit par unité de charge:

où

est l'électrique vigueur vécue par la particule

est son accusation

est le champ électrique dans lequel se trouve la particule

Pris à la lettre, cette équation ne définit que le champ électrique sur les lieux où il ya des frais fixes présents en faire l'expérience. En outre, la force exercée par un autre responsable va modifier la distribution de la source, ce qui signifie que le champ électrique en présence de diffère de lui-même en l'absence de . Cependant, le champ électrique d'une distribution de source donnée reste défini en l'absence de toute charge avec lequel interagir. Ceci est obtenu en mesurant la force exercée sur successivement plus petits charges d'essai placés au voisinage de la distribution source. Par ce processus, le champ électrique créé par une distribution de source donnée est défini comme la limite que la charge d'essai se rapproche de zéro de la force par unité de charge exercée alors.

Cela permet au champ électrique d'être dépendant de la distribution de source seul.

Ainsi qu'il ressort de la définition, la direction du champ électrique est la même que la direction de la force qu'il exerce sur une particule chargée positivement, et opposée à la direction de la force sur une particule chargée négativement. Depuis charges identiques se repoussent et les contraires se attirent (telle que quantifiée ci-dessous), le champ électrique tend à pointer loin de charges positives et vers charges négatives.

La loi de Coulomb

Le champ électrique entourant une charge ponctuelle est donnée par la loi de Coulomb :

où

est la charge de la particule la création de la force électrique,

est la distance de la particule de charge au point d'évaluation de champ E,

est le vecteur unitaire pointant de la particule de charge Q au point d'évaluation E-champ,

est le constante électrique.

La loi de Coulomb est en fait un cas particulier de la loi de Gauss , une description plus fondamentale de la relation entre la répartition de la charge électrique dans l'espace et le champ électrique résultant. La loi de Gauss est l'une des équations de Maxwell , un ensemble de quatre lois qui régissent l'électromagnétisme.

champs variables dans le temps

Les charges ne produit pas seulement des champs électriques. Comme ils se déplacent, ils génèrent des champs magnétiques, et si le champ magnétique change, il génère des champs électriques. Un changement champ magnétique donne lieu à un champ électrique,

dont les rendements La loi de Faraday de l'induction,

où

indique la courbure du champ électrique,

représente la vitesse de diminution de vecteur champ magnétique avec le temps.

Cela signifie qu'un champ magnétique changeant dans le temps produit un champ électrique bouclée, peut-être aussi changer dans le temps. La situation dans laquelle les champs électriques ou magnétiques changent dans le temps ne est plus électrostatique, mais plutôt électrodynamique ou électromagnétique .

Propriétés (en électrostatique)

Illustration du champ électrique entourant un positive (rouge) et un (vert) charge négative.

Selon l'équation (1) ci-dessus, le champ électrique est fonction de la position. Le champ électrique dû à une seule charge tombe comme le carré de la distance de cette accusation.

Les champs électriques suivent la principe de superposition. Si plus d'une accusation est présent, le champ électrique totale en tout point est égale à la somme vectorielle des champs électriques respectifs que chaque objet serait de créer en l'absence des autres.

Si ce principe est étendu à un nombre infini de infiniment petits éléments de la charge, les résultats de la formule suivante:

où

est le la densité de charge, ou la quantité de charge par unité de volume .

Le champ électrique en un point est égale à la négative du gradient potentiel électrique bas. En symboles,

où

est le champ scalaire représentant le potentiel électrique en un point donné.

Si plusieurs charges réparties dans l'espace génèrent une telle potentiel électrique, par exemple dans un solide , une gradient de champ électrique peut également être défini.

Compte tenu de la permittivité d'un matériau, qui peut être différente de la permittivité de l'espace libre , Le Induction électrique est:

Dans le domaine de l'énergie électrique

Le champ électrique stocke l'énergie. La densité d'énergie du champ électrique est donnée par

où

est le permittivité du milieu dans lequel le champ existe

est le vecteur de champ électrique.

L'énergie totale stockée dans le champ électrique dans un volume V est donc donné

où

est l'élément de volume différentiel.

Parallels entre électrostatique et gravité

La loi de Coulomb , qui décrit l'interaction des charges électriques:

est similaire à La loi de Newton de la gravitation universelle:

Ceci suggère similitudes entre le champ électrique et le champ de gravitation , Donc parfois de masse est appelé «charge gravitationnelle".

Similitudes entre les forces électrostatiques et gravitationnelles:

1. Agir à la fois dans le vide.
2. Les deux sont central et conservatrice.
3. Les deux obéir à un loi de l'inverse carré (les deux sont inversement proportionnelle à carré de r).
4. Les deux se propager à une vitesse finie c.

Différences entre les forces électrostatiques et gravitationnelles:

1. Des forces électrostatiques sont beaucoup plus grandes que les forces de gravitation (d'environ 10 ³⁶ fois).
2. Les forces gravitationnelles sont attrayants pour les frais comme, alors que les forces électrostatiques sont répulsive pour les frais similaires.
3. Il n'y a pas de charges gravitationnelles négatifs (pas masse négative) alors qu'il ya deux charges électriques positives et négatives. Cette différence combinée avec précédente implique que les forces gravitationnelles sont toujours attrayante, tandis que les forces électrostatiques peuvent être soit attractive ou répulsive.
4. La charge électrique est alors invariant masse relativiste ne est pas.