מושג השדה החשמלי, קווי שדה, שדה של מטען נקודתי ושדה אחיד בין לוחות
פרק 2 — למידה מודרכת ותרגול מעמיק
מושג השדה החשמלי, קווי שדה, שדה של מטען נקודתי ושדה אחיד בין לוחות
פרק 2 — למידה מודרכת ותרגול מעמיק
בפרק הקודם הכרנו את כוח קולון הפועל בין מטענים חשמליים במנוחה. אולם כאשר אנו מתבוננים בשני מטענים מרוחקים זה מזה בחלל הריק, מתעוררת שאלה פיזיקלית עמוקה: כיצד מטען אחד יודע על קיומו של המטען השני ללא כל מגע חומרי ביניהם? התשובה המדעית שחוללה מהפכה בפיזיקה היא מושג השדה. כל מטען חשמלי משנה את תכונות המרחב סביבו ויוצר בו שדה חשמלי. כאשר מטען נוסף מוצב בנקודה כלשהי במרחב, השדה החשמלי הקיים באותה נקודה מפעיל עליו כוח ישיר ומקומי. בפרק זה נבנה את מושג השדה החשמלי צעד אחר צעד: החל מהגדרתו המדויקת באמצעות מטען בוחן, דרך חישוב השדה של מטען נקודתי ועקרון הסופרפוזיציה, ועד לתיאור ויזואלי באמצעות קווי שדה ושדה אחיד הפועל בין לוחות טעונים ומטה חלקיקים.
מטרות למידה מרכזיות:
- הבנת המעבר מפעולה ממרחק לתיאור שדה מקומי במרחב
- הגדרת וקטור השדה החשמלי ויחידות המדידה ניוטון לקולון
- חישוב הכוח החשמלי הפועל על מטען חיובי או שלילי המוצב בשדה
- חישוב גודל וכיוון של שדה הנוצר על ידי מטען נקודתי במרחב
- שליטה בעקרון הסופרפוזיציה של שדות חשמליים וקטוריים
- מציאת נקודות התאפסות של שדה חשמלי שקול
- הבנת התכונות הגיאומטריות והפיזיקליות של קווי שדה חשמלי
- חישוב שדה אחיד בין לוחות קבל מקבילים וניתוח תנועת חלקיק טעון בתוכו
מושג השדה החשמלי והכוח על מטען בוחן
במקום לתאר כוח מסתורי הפועל ממרחק ללא תיווך, הפיזיקה המודרנית מחלקת את האינטראקציה החשמלית לשני שלבים נפרדים: ראשית, המטענים במערכת יוצרים תכונה פיזיקלית בכל נקודה במרחב הנקראת שדה חשמלי. שנית, כאשר מטען נוסף מוצב בנקודה מסוימת, השדה הקיים באותה נקודה מפעיל עליו כוח ישיר.
כדי למדוד ולכמת את השדה החשמלי בנקודה נתונה, אנו מניחים בה מטען בוחן חיובי קטן מאוד, ומודדים את הכוח הפועל עליו. וקטור השדה החשמלי מוגדר כמנת הכוח במטען הבוחן:
יחידת המדידה של השדה החשמלי במערכת היחידות הבינלאומית היא ניוטון לקולון. כיוון השדה החשמלי בנקודה מוגדר ככיוון הכוח שהיה פועל על מטען בוחן חיובי המוצב באותה נקודה.