שדות חשמליים
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ | שדה חשמלי |
| electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ | עוצמת שדה חשמלי |
| field line/fiːld laɪn/ | קו שדה |
| test charge/test tʃɑːdʒ/ | מטען בדיקה |
| vector/ˈvektə/ | גודל וקטורי |
| negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ | מטען שלילי |
| point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ | מטען נקודתי |
| dipole/ˈdaɪpəʊl/ | דיו-פול |
| uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/ | שדה אחיד |
כוח ללא כל ביניים
- שפשף סרטשיים בשיערך והחזק אותו מעל נייר קרוע. הנייר קופץ לעברו, על פני רווח אוויר, ללא מגע פיזי.
- ניוטון כינה פעולה ממרחק דרך חלל ריק כבלתי מקובל פילוסופית, והוא הצדק בדאגתו. התשובה המודרנית היא שהסרטשיים משנה אתהחלל סביבו, והנייר מגיב לחלל שהוא נמצא בו.
- האזור המשתנה הזה הואשדה חשמלי, והכל נושא זה הוא דרך לפרט אותו בצורה מדויקת מספיק לחישוב.
- שיעור זה הוא הגדרתהעוצמה השטחית של השדה החשמלי, הכוח שהוא מייצר, וכיצדקווי שדה מייצגים אותו.
עוצמת שדה
- העוצמה השטחית של השדה החשמלי בנקודה היא הכוח ליחידת מטען חיובי הפועל עלמטען מבחן קטן הממוקם בנקודה זו:
- שלושה מילים נושאות שתי נקודות. כוח ליחידת מטען, לא "כוח על מטען". חיובי, שזה מה שקובע את הכיוון. וקטן או מבחן, כדי שהמטען לא יפרע לשדה שהואמד.
- היחידה היא $\text{N/C}$, אותה יחידה כמו $\text{V/m}$. $E$ הואוקטורי.
חוזק שדה חשמלי הוא הכוח ליחידת:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$E = \dfrac{F}{q}$ — הכוח על כל קולון של מטען בדיקה חיובי קטן.
מטען של $2.0\ \text{C}$ מרגיש כוח של $6.0\ \text{N}$. מהי עוצמת השדה?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$E = \dfrac{F}{q} = \dfrac{6.0}{2.0} = 3.0\ \dfrac{\text{N}}{\text{C}}$.
אילו מילים נדרשות בהגדרה בעלת שתי נקודות לעוצמת שדה חשמלי? סמן את כולם האפשריים.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
מטען נע מרגיש אותו כוח חשמלי. שלוש הנקודות המסומנות הן: ליחידת מטען, חיובי, ומטען בדיקה קטן.
הכוח על מטען
- לאחר עריכה, השדה מספק לך את הכוח על כל מטען המונח בתוכו:
- מטען חיובי דוחה בכיוון השדה. מטען שלילי דוחה בניגוד לו, שכן $q$ הוא שלילי.
- במשפטים אלו הכבידה כמעט תמיד זניחה. אלקטרון בשדה של $1500\ \text{V/m}$ מאיץ ב$2.6 \times 10^{14}\ \text{m/s}^2$, בניגוד ל$9.81$ מהכבידה, ולכן המשקל מוותר עליו אלא אם כן השאלה עוסקת ספציפית באיזון שלו.
שדה חזק מספיק לקרוע אלקטרונים ממולקולות האוויר
הכוח על מטען שלילי הוא בניגוד לכיוון השדה.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
כיוון השדה מוגדר עבור מטען חיובי; מטען שלילי מרגיש כוח הפוך.
דוגמה פתורה: שדה מתאוצר
- פרוטון מאיץ ב$2.00\ \text{m/s}^2$ בשדה חשמלי, ללא כוח נוסף. מצאו את עוצמת השדה. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
- הכוח החשמלי הוא הכוח היחיד, לכן $qE = ma$.
- ביצעו את אותה עריכה הפוכה עבור ההאיצה של אלקטרון בשדה נתון: $a = eE/m_{\text{e}}$, שהוא עצום מכיוון שמסת האלקטרון קטנה מאוד.
פרוטון (מסה 1.67e-27 kg, מטען 1.60e-19 C) מאיצה ב-2.00 m/s^2 בשדה חשמלי בלבד. מהי עוצמת השדה, ביחידות של 10^-8 V/m?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
הכוח החשמלי הוא הכוח היחיד, ולכן qE = ma ו-E = ma/q = 2.09e-8 V/m. אותה עיבוד מחדש נותן את תאוצת האלקטרון בשדה ידוע.
קווי שדה
- קו שדה מראה, באמצעות כיוונו, את כיוון הכוח על מטען חיובי הניצב שם, ובאמצעות רווחים, את עוצמת השדה: קווים צמודים יותר מעידים על שדה חזק יותר.
- קווים מתחילים במטענים חיוביים ונגמרים במטענים שליליים, או יוצאים לאינסוף. הם ** לעולם לא נחתכים**, מכיוון שכוח בנקודה יש לו כיוון אחד בלבד.
- לכל קו יש חץ, והקווים פוגעים במשטח המוליך בזווית ישרה.
- טיוטה מסומנת בדיוק בנקודות אלו: חצים מצורעים, קווים שלא נחתכים, התחלות וסופים נכונים, ורווחים הגיוניים.
ארבע תבניות סטנדרטיות ששווה לדעת להצייר מזיכרון
התבניות שיש לדעת
- מטען נקודתי חיובי: קווים רדיאליים המכוונים כלפי חוץ. שלילי: קווים רדיאליים המכוונים כלפי פנים.
- שני מטענים נגדולים, דיפול: קווים מתעגלים מהחיובי לשלילי.
- שתי צלעות מקבילות טעונות: קווים מקבילים ומרווחים באופן שווה, שדה אחיד, למעט העיקול בקצוות.
שדות חשמליים
E ∝ Q / r²
מטען יוצר שדה רדיאלי — כלפי החוץ עבור +, כלפי הפנים עבור −, לפי חוק הריבוע ההפוך.
קווי שדה חשמלי:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
הם זורמים מ-+ ל-−, לעולם אינם חוצים זה את זה, וקרובים יותר כשהשדה חזק יותר.
משיכת קווי שדה זה לזה משמעותה שדה ____.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
רווח בין הקווים מציג את העוצמה — קווים קרובים יותר, שדה חזק יותר.
אילו מהנקודות הבאות נכון לגבי קווי שדה חשמלי? סמן את כולן החלופות הנכונות.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
קו שדה מראה את כיוון הכוח ולא את המסלול: טען הנכנס בצורה צדדית יעבור על מסלול מעוקל החוצה את הקווים.
כדור מוליך טעון
- מטען על מוליך מבודד יושב במשטחו החיצוני, מפוזר באופן שווה אם הכדור לבדו.
- מחוץ לקווי השדה הם רדיאליים ומרווחים באופן אחיד: בדיוק הדפוס של מטען נקודתי במרכז, כך ש-$r$ נמדד מהמרכז.
- בתוך מוליך חלול או מוצק השדה הוא אפס, והמוליך הוא לכן שווה-פוטנציאל.
- בגרף ⟨$E$⟩ מול ⟨$x$⟩ עבור כדור כזה, הרדיוס הוא הנקודה שבה ⟨$E$⟩ קופץ מאפס, והמטען נובע מכל נקודה על העקומה באמצעות ⟨$Q = 4\pi\varepsilon_0 r^2 E$⟩.
סימונים נופלים מהיד
- ההגדרה היא כוח ליחידת מטען חיובי על מטען בדיקה קטן. כל שלושת הרעיונות מסומנים.
- קווי שדה לעולם אינם נצלים ונושאים תמיד חץ. סקיצה ללא חצים לא זוכה ניקוד.
- בתוך מוליך השדה הוא אפס, ובחוץ הוא מתנהג כמו מטען נקודתי במרכז.
- כבידה זניחה עבור מטען טעון בשדה אלא אם השאלה היא על איזון משקל, כמו במקרה של טיפת שמן.
מהו השדה החשמלי בתוך כדור מוליך מחוספס מטען?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
השדות של כל הטענים במשטח מבטלים זה את זה בתוך המוליך, ולכן המוליך הוא משטח אפוטנציאל. מחוץ לו הוא מתנהג כמו מטען נקודתי במרכז.
הבנתך מושלמת
- עוצמת שדה חשמלי היא הכוח ליחידת מטען חיובי על מטען בדיקה קטן: $E = F/q$, וקטור ב-$\text{N/C}$ או $\text{V/m}$
- $F = qE$: מטענים חיוביים דוחקים לאורך השדה, שליליים נגדו, וכבידה היא לרוב זניחה
- קווי שדה מראים כיוון על ידי החצים שלהם ועוצמה על ידי המרווחים ביניהם; הם מתחילים על חיובי, מסתיימים על שלילי, לעולם אינם נצלים, ומגיעים למוליכים בזווית ישרה
- כדור טעון מתנהג מחוץ כמו מטען נקודתי במרכזו, והשדה בתוך המוליך הוא אפס