Campo elétrico

Eletromagnetismo
Eletricidade Magnetismo
Eletrostática Carga elétrica Eletricidade estática Campo elétrico Condutor Insulator Triboelectricity A descarga eletrostática Indução A lei de Coulomb A lei de Gauss Fluxo elétrico / energia potencial Momento de dipolo elétrico Densidade polarização
Magnetostática A lei de Ampère Campo magnético Magnetização O fluxo magnético Lei de Biot-Savart Momento de dipolo magnético A lei de Gauss para o magnetismo
Eletrodinâmica Lei da força de Lorentz Indução eletromagnética A lei de Faraday A lei de Lenz Corrente de deslocamento As equações de Maxwell Campo eletromagnético Radiação eletromagnética Maxwell tensor Poynting vector Potencial de Liénard-Wiechert Equações de Jefimenko Eddy atual
Rede elétrica Corrente elétrica Potencial elétrico Tensão Resistência A lei de Ohm Circuito em série Circuito paralelo Corrente contínua Corrente alternada Força eletromotiva Capacidade Indutância Impedância Cavidades de ressonância Waveguides
Formulação covariante Tensor eletromagnética ( tensor de tensão-energia) Quatro atual Electromagnética de quatro potencial
Os cientistas Ampère Coulomb Faraday Gauss Heaviside Henry Hertz Lorentz Maxwell Tesla Volta Weber Ørsted

Em física , o espaço em torno de uma carga eléctrica ou na presença de um limite de tempo variando campo magnético tem uma propriedade chamada um campo elétrico. Este campo elétrico exerce uma força sobre outros objetos eletricamente carregados. O conceito de um campo eléctrico foi introduzido por Michael Faraday .

O campo eléctrico é um campo de vetores com Unidades SI de newtons por coulomb ^(NC-1) ou, de forma equivalente, volts por metro (V m ^-1). As unidades SI de base do campo elétrico são kg · m · s ^-3 · A ^-1. A força do campo num determinado ponto é definido como a força, que iria ser exercida sobre uma positiva carga de teste de um coulomb colocado naquele ponto; o sentido do campo é dada pela direcção da força que. Os campos elétricos contêm energia elétrica com densidade de energia proporcional ao quadrado da intensidade do campo. O campo elétrico é cobrar como gravitacional de aceleração é a massa e densidade de força é o de volume.

A carga em movimento não tem apenas um campo elétrico, mas também um campo magnético, e, em geral, os campos elétricos e magnéticos não são completamente fenômenos distintos; o que um observador percebe como um campo elétrico, outro observador de uma forma diferente quadro de referência percebe como uma mistura de campos eléctricos e magnéticos. Por esta razão, fala-se de " electromagnetismo "ou" campos electromagnéticos ". Na mecânica quântica , distúrbios nos campos eletromagnéticos são chamados fótons , ea energia dos fótons é quantificado.

Definição

Um estacionário carregado de partículas num campo eléctrico experimenta uma força proporcional à sua carga dada pela equação

onde a densidade de fluxo magnético é dada por

e onde é a força de Coulomb. (Veja a seção abaixo).

Carga elétrica é uma característica de alguns partículas subatómicas, e é quantizado quando expresso como um múltiplo da chamada carga elementar . Os elétrons por convenção, têm uma carga de -1, enquanto prótons têm carga oposta de um. Quarks têm uma carga fraccionada de -1/3 ou +2/3. Os equivalentes de antipartícula estes têm carga oposta. Outras partículas subatômicas carregam carga elétrica, tais como múons e tauons.

Em geral, mesmo sinal partículas carregadas se repelem, enquanto diferente de inscrição atrair partículas carregadas. Esta é expressa quantitativamente em lei de Coulomb , que indica a magnitude da força de repulsão é proporcional ao produto das duas cargas, e enfraquece proporcionalmente ao quadrado da distância.

A carga eléctrica de um objeto macroscópico, é a soma das cargas eléctricas de suas partículas constituintes. Muitas vezes, a carga eléctrica global é zero, desde que, naturalmente, o número de electrões em cada átomo é igual ao número de protões, de modo que as suas taxas de anular. Situações em que a carga líquida é diferente de zero são muitas vezes referidos como eletricidade estática. Além disso, mesmo quando a carga líquida é zero, pode ser distribuída de maneira não uniforme (por exemplo, devido a um campo eléctrico externo), e, em seguida, o material é dito para ser polarizado, e a carga relacionada com a polarização é conhecida como a carga limite (enquanto o excesso de carga trazida de fora é chamado de carga livre). Um movimento ordenado de partículas carregadas numa direcção determinada (em metais, estes são os electrões) é conhecida como corrente eléctrica. A natureza discreta da carga elétrica foi proposta por Michael Faraday em seus experimentos de eletrólise, em seguida, diretamente demonstrado por Robert Millikan em sua experimento óleo-drop.

A unidade SI para a quantidade de electricidade ou de carga elétrica é o coulomb, o que representa cerca de 6,25 × 10 ¹⁸ acusações elementares (a carga de um único elétron ou próton). O Coulomb é definida como a quantidade de carga que passou através da secção transversal de um condutor eléctrico transportando um ampères dentro de um segundo. O símbolo é muitas vezes utilizado para designar uma quantidade de electricidade ou de carga. A quantidade de carga eléctrica pode ser medido directamente com um electrómetro, ou indirectamente medidos com um galvanómetro balístico.

Formalmente, uma medida de carga deve ser um múltiplo de a carga elementar (Carga é quantizada), mas uma vez que é uma quantidade média, macroscópica, muitas ordens de magnitude maior do que uma única carga elementar, pode levar efetivamente em qualquer valor real. Além disso, em alguns contextos, é significativo falar de fracções de uma taxa; por exemplo, na cobrança de um capacitor.

Se a partícula carregada pode ser considerado um carga pontual, o campo eléctrico é definido como a força experimenta por unidade de carga:

onde

é o elétrico força experimentada pela partícula

é o seu custo

é o campo eléctrico, em que a partícula está localizada

Tomada literalmente, esta equação só define o campo elétrico nos locais onde existem cargas estacionárias presentes para experimentá-la. Além disso, a força exercida por uma outra carga irá alterar a distribuição da fonte, o que significa que o campo eléctrico na presença de difere de si mesmo na ausência de . No entanto, o campo eléctrico de uma dada fonte de distribuição permanece definida na ausência de quaisquer cargas com que interagir. Isto é conseguido através da medição da força exercida sobre sucessivamente menor cargas de teste colocado na vizinhança da fonte de distribuição. Por este processo, o campo eléctrico criado por uma dada fonte de distribuição é definido como o limite como a carga de teste se aproxima de zero da força por unidade de carga exercida sobre o mesmo.

Isto permite que o campo eléctrico ser dependente da distribuição da fonte sozinho.

Como é claro a partir da definição, a direcção do campo eléctrico é a mesma que a direcção da força que iria exercer sobre uma partícula com carga positiva, e na direcção oposta à da força sobre uma partícula carregada negativamente. Uma vez que cargas iguais se repelem e atrair opostos (como quantificado abaixo), o campo eléctrico tende a apontar para fora a partir de cargas positivas e cargas negativas no sentido.

A lei de Coulomb

O campo elétrico em torno de uma carga pontual é dada pela lei de Coulomb :

onde

é a carga da partícula criando a força elétrica,

é a distância a partir da partícula com carga ao ponto de avaliação E-campo,

é o vetor unitário apontando da partícula com carga Q ao ponto de avaliação E-campo,

é o constante elétrica.

A lei de Coulomb é realmente um caso especial da lei de Gauss , uma descrição mais fundamental da relação entre a distribuição da carga eléctrica no espaço e o campo eléctrico resultante. A lei de Gauss é uma das equações de Maxwell , um conjunto de quatro leis que governam o eletromagnetismo.

Campos variáveis no tempo

Encargos não só produzem campos elétricos. Enquanto se movem, eles geram Os campos magnéticos, e se o campo magnético muda, gera campos eléctricos. Uma mudança campo magnético gera um campo eléctrico,

que os rendimentos Lei de indução de Faraday,

onde

indica o enrolamento do campo eléctrico,

representa a taxa de diminuição de vetor campo magnético com o tempo.

Isto significa que um campo magnético variável no tempo produz um campo elétrico enrolado, possivelmente, também mudando no tempo. A situação em que campos elétricos ou magnéticos mudar com o tempo não é mais eletrostática, mas sim eletrodinâmica ou eletromagnetismo .

Propriedades (em eletrostática)

Ilustração do campo elétrico em torno de um positivo (vermelho) e um (verde) carga negativa.

De acordo com a equação (1) acima, o campo eléctrico é dependente da posição. O campo elétrico devido a qualquer única carga cai com o quadrado da distância que a carga.

Os campos elétricos seguir a princípio da superposição. Se mais do que uma carga se encontra presente, o campo eléctrico dadas em qualquer ponto é igual à soma vectorial dos seus respectivos campos eléctricos que cada objecto possa criar, na ausência dos outros.

Se este princípio for alargado a um número infinito de elementos infinitesimais de carga, os seguintes resultados da fórmula:

onde

é o cobrar densidade, ou a quantidade de carga por unidade de volume .

O campo eléctrico num ponto é igual ao negativo gradiente do potencial eléctrico lá. Em símbolos,

onde

é o campo escalar que representa o potencial elétrico em um determinado ponto.

Se várias acusações espacialmente distribuídos gerar tal potencial eléctrico, por exemplo, em um sólido , um gradiente do campo eléctrico pode também ser definida.

Considerando-se o permissividade de um material, que pode ser diferente da permitividade do espaço livre , O campo de deslocamento elétrico é:

Energia no campo elétrico

O campo elétrico armazena energia. A densidade de energia do campo eléctrico é dada pela

onde

é o permissividade do meio no qual existe o domínio

é o vector do campo eléctrico.

A energia total armazenada no campo eléctrico num determinado volume V é, por conseguinte,

onde

é o elemento de volume diferencial.

Paralelos entre eletrostática e gravidade

A lei de Coulomb , que descreve a interacção de cargas eléctricas:

é semelhante ao A lei de Newton da gravitação universal:

Isto sugere semelhanças entre o campo eléctrico e o campo gravitacional , Por isso às vezes em massa é chamado de "carga gravitacional".

Semelhanças entre forças eletrostáticas e gravitacionais:

1. Ambos actuam no vazio.
2. Ambos são central e conservador.
3. Ambos obedecer a uma lei do inverso do quadrado (ambos são inversamente proporcionais ao quadrado de r).
4. Ambos se propagam com velocidade finita c.

As diferenças entre as forças eletrostáticas e gravitacionais:

1. Forças electrostáticas são muito maiores do que as forças gravitacionais (por cerca de 10 ³⁶ vezes).
2. As forças gravitacionais são atraentes para os encargos como, enquanto forças eletrostáticas são repulsivos por acusações semelhantes.
3. Não há taxa adicional gravitacionais negativos (sem massa negativo) enquanto há duas cargas elétricas positivas e negativas. Esta diferença combinado com anterior implica que as forças gravitacionais são sempre atraentes, enquanto as forças eletrostáticas podem ser atraente ou repulsivo.
4. Carga elétrica é invariante enquanto massa relativista não é.