fizikzauglom

เกรด 8 · ประจุและสนามไฟฟ้า

ปฏิสัมพันธ์ของประจุและสนามไฟฟ้า

กฎของคูลอมบ์ ความเข้มสนามไฟฟ้า และประโยชน์กับอันตรายของไฟฟ้าสถิต

26 นาที9 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ทรงกลมมีประจุสองลูกเบนมากขึ้นเมื่อเข้าใกล้กัน จะทำนายขนาดแรงแล้วอธิบายผลของประจุหนึ่งแม้จุดนั้นยังไม่มีทรงกลมอีกลูกได้อย่างไร?

ประจุเดิม ตัวกลางเดิมใกล้กว่าไกลกว่าแรงขึ้นกับระยะอย่างไร?
แสดงวัตถุบวกเล็กคู่เดิมที่สองระยะในตัวกลางเดียว ลูกศรแรงเริ่มที่แต่ละวัตถุและชี้ออกจากอีกวัตถุ เมื่อห่างขึ้น แรงทั้งสองอ่อนลง ขนาดสัญลักษณ์ประจุเป็นภาพแผน

เริ่มจากทิศทาง

เริ่มหาทิศทางก่อน สำหรับประจุจุดสองประจุที่อยู่นิ่ง แรงอยู่บนเส้นเชื่อมทั้งคู่ เครื่องหมายเหมือนกันผลัก ต่างกันดึงดูด แต่ละวัตถุมีแรงของตน ขนาดเท่ากันและทิศตรงข้าม ห้ามนำมาบวกราวกับเป็นสองแรงบนทรงกลมลูกเดียว แรงไฟฟ้า F วัดเป็นนิวตัน เครื่องหมายกำหนดทิศ แต่การหาขนาดยังต้องทราบระยะและปริมาณประจุ

แรงกระทำต่อคนละวัตถุ++F₁F₂การผลัก+−F₁F₂การดึงดูด|F₁| = |F₂| ในแต่ละคู่
ด้านบนประจุบวกสองประจุผลักกัน ด้านล่างบวกกับลบดึงดูดกัน ลูกศรเริ่มที่วัตถุของตนและอยู่ตามเส้นเชื่อม แรงในแต่ละคู่มีขนาดเท่ากัน ทิศตรงข้าม และกระทำต่อคนละวัตถุ

การประมาณเป็นประจุจุด

แทนทรงกลมมีประจุด้วยจุดเดียวได้หรือไม่? ได้ หากขนาดเล็กเมื่อเทียบกับระยะ r ถึงอีกวัตถุและรายละเอียดการกระจายประจุไม่มีผลสำคัญ นี่คือแบบจำลองประจุจุด r วัดเป็นเมตรระหว่างจุดที่เลือก แบบจำลองแยกความสัมพันธ์ง่ายออกจากรูปร่างวัตถุ แต่ตัวนำรูปร่างซับซ้อนที่อยู่ใกล้กันมีการกระจายประจุใหม่ การแทนระยะระหว่างศูนย์กลางในสูตรง่ายอาจไม่ถูกต้อง

ขนาดเล็กตัวนำใกล้กันq₁q₂dr ≫ dq₁q₂รูปร่างมีผลr: ระยะระหว่างศูนย์กลาง
ด้านซ้าย เส้นผ่านศูนย์กลาง d เล็กเมื่อเทียบกับระยะศูนย์กลาง r จึงละขนาดได้ ด้านขวา ตัวนำใกล้กันมีรูปร่างต่างกันและขนาดใกล้เคียงระยะห่าง การกระจายประจุขึ้นกับเรขาคณิต จึงไม่มีเหตุผลพอที่จะแทนวัตถุเป็นประจุจุดทันที

ระยะมีผลต่อแรงอย่างไร

คงประจุแล้วเพิ่มระยะสองเท่า ความสัมพันธ์จากการทดลองกับประจุจุดให้แรงเหลือหนึ่งในสี่ หากระยะสามเท่าเหลือหนึ่งในเก้า จึงเป็นกฎกำลังสองผกผัน ไม่ใช่แปรผกผันกับ r โดยตรง ระยะมากขึ้นทำให้อันตรกิริยาอ่อนลง เมื่อเข้าใกล้แรงเพิ่ม แต่ใช้แบบจำลองกับทรงกลมจริงจนระยะศูนย์ไม่ได้ เพราะขนาดที่ไม่เป็นศูนย์จะมีผลก่อน

ประจุและตัวกลางคงเดิม|F|0FF/4F/9r2r3rระยะห่างระหว่างประจุ
ประจุและตัวกลางคงเดิม ความสูงแท่งจากศูนย์แสดงขนาดแรง F, F/4 และ F/9 ที่ระยะ r, 2r และ 3r ระยะสองเท่าทำให้แรงเหลือหนึ่งในสี่ ระยะสามเท่าเหลือหนึ่งในเก้า

เขียนกฎของคูลอมบ์

รวมความสัมพันธ์ เมื่อประจุหนึ่งเป็นสองเท่า แรงเป็นสองเท่า เมื่อทั้งคู่เป็นสองเท่า แรงเป็นสี่เท่า ส่วนระยะยกกำลังสองอยู่ในตัวส่วน กฎคูลอมบ์คือ F = k|q₁q₂|/r² ในสุญญากาศ k ≈ 9·10⁹ Н·м²/Кл² แทนประจุหน่วย C และ r หน่วย m จะได้แรง N หากประจุใดเป็นศูนย์ อันตรกิริยาประจุจุดตามสูตรนี้เป็นศูนย์ ค่าสัมบูรณ์ของผลคูณให้ขนาดแรง ต้องหาทิศแยก

F = k · |q₁q₂| / r²q₁q₂rq₁, q₂ — Кл; r — м; F — Нในสุญญากาศ k ≈ 9·10⁹ Н·м²/Кл²ขนาดไม่ได้บอกทิศ
ในสูตรขนาดแรง q₁ และ q₂ คือประจุของสองวัตถุหน่วยคูลอมบ์ r คือระยะห่างหน่วยเมตร สัมประสิทธิ์ k ≈ 9·10⁹ Н·м²/Кл² ใช้สำหรับสุญญากาศ และได้ F หน่วยนิวตัน เครื่องหมายประจุใช้หาทิศแยกต่างหาก

ตัวกลางและหน่วย

อันตรกิริยายังขึ้นอยู่กับตัวกลาง เพราะอนุภาคมีประจุในตัวกลางตอบสนองต่อสนาม จึงใช้สัมประสิทธิ์สุญญากาศกับของเหลวหรือของแข็งทุกชนิดโดยไม่เปลี่ยนไม่ได้ แต่อากาศมักประมาณเหมือนสุญญากาศได้ ก่อนคำนวณแปลงประจุ: 1 мкКл = 10⁻⁶ Кл, 1 нКл = 10⁻⁹ Кл เมื่อยกกำลังสองระยะ หน่วยก็ยกกำลังสองด้วย ต้องแปลงเซนติเมตรเป็นเมตรก่อนแล้วจึงยกกำลังสอง

คู่เดิมหน่วย SIสุญญากาศk สุญญากาศตัวกลางอื่นk ของตัวกลาง1 мкКл = 10⁻⁶ Кл1 нКл = 10⁻⁹ Клเลือกตัวกลางและหน่วยก่อน
ด้านซ้ายเป็นประจุอยู่นิ่งคู่เดิม ระยะเดิม ในสุญญากาศและตัวกลางสม่ำเสมออื่น ต้องเลือก k ที่ตรงกับแต่ละกรณี ด้านขวาแปลงไมโครคูลอมบ์กับนาโนคูลอมบ์เป็นคูลอมบ์ก่อนคำนวณ

สนามบอกอะไร

แทนที่จะคำนวณอันตรกิริยาใหม่สำหรับทรงกลมแต่ละลูก ให้อธิบายสิ่งที่ประจุแรกสร้างทุกจุดรอบตัว นั่นคือสนามไฟฟ้า ประจุอื่นที่วางในจุดหนึ่งจะรับแรงไฟฟ้า ลองย้ายประจุทดสอบบวกขนาดเล็กในจินตนาการเพื่อศึกษา นิยามทิศสนามตามแรงบนประจุนั้น แผนที่สนามจึงบอกการกระทำของแหล่งกำเนิดก่อนเลือกวัตถุทดสอบเฉพาะ

+E+F+qпробสนามจากแหล่งบวก
ลูกศรน้ำเงินแสดงสนามแนวรัศมีจากประจุจุดบวก ชี้ออกจากแหล่งกำเนิด ด้านขวามีประจุทดสอบบวกเล็ก แรง F สีแดงชี้ตามสนาม ละเลยผลรบกวนสนามเดิมจากประจุทดสอบ ขนาดสัญลักษณ์เป็นภาพแผน

แรงต่อหนึ่งหน่วยประจุ

ที่จุดเดียวในสนาม ประจุทดสอบมากขึ้นรับแรงมากขึ้น เพื่อแยกสมบัติสนามจากสมบัติประจุทดสอบ ให้นำแรงหารขนาดประจุ: E = F/|qпроб| นี่คือขนาดความเข้มสนามไฟฟ้า หน่วย N/C เพิ่มประจุทดสอบเล็กเป็นสองเท่า F เป็นสองเท่า แต่อัตราส่วนคงเดิม ลดประจุ แรงลด แต่ E ไม่หายไป ประจุทดสอบต้องไม่เป็นศูนย์และเล็กพอที่จะรบกวนการกระจายประจุที่ศึกษาน้อยมาก

สองการทดลองที่จุด P เดียวEPEPF2Fq2qF/q = 2F/(2q) = EE คงเดิม หน่วย Н/Кл
ทดลองแยกสองครั้งที่จุด P เดียวของสนามเดิม เปลี่ยนประจุทดสอบบวก q เป็น 2q ทั้งคู่เล็กพอจะไม่เปลี่ยนสนามอย่างมีนัยสำคัญ ลูกศรแรงยาวสองเท่า ส่วน E คงเดิม โดย E = F/|qпроб| ขนาดรูปอนุภาคไม่ได้บอกขนาดประจุ

บวกและลบ

ประจุทดสอบลบบอกอะไร? ที่ขนาดประจุเท่าเดิม แรงกลับทิศ แต่สนามจากแหล่งกำเนิดไม่ได้กลับ ประจุบวกมีแรงตามสนาม ประจุลบมีแรงสวนสนาม เส้นสนามไฟฟ้าสถิตออกจากประจุบวก เข้าในประจุลบ หรือทอดไปอนันต์ เส้นเหล่านี้บอกทิศแรงบนประจุทดสอบบวก ไม่ใช่เส้นทางที่ประจุทุกตัวต้องเคลื่อนตาม

สนามเดิม เครื่องหมายต่างกันEEFq > 0Fq < 0ทิศแรงขึ้นกับเครื่องหมาย q
ทดลองแยกสองครั้งในสนามเดิมที่ชี้ขวา แรง F ต่อประจุทดสอบบวกชี้ขวา ส่วนประจุลบชี้ซ้าย ลูกศรน้ำเงินคือ E ลูกศรแดงที่วัตถุคือแรง สมมติประจุทดสอบเล็กจนไม่เปลี่ยนสนามเดิม

ไฟฟ้าสถิตในเทคโนโลยี

ควบคุมประจุและสนามเพื่อพาอนุภาคเล็กไปยังผิวเก็บของเครื่องดักฝุ่นไฟฟ้าสถิตได้ แต่ประจุสะสมสร้างสนามแรงและการคายประจุเป็นประกายไฟได้เช่นกัน ใกล้ไอไวไฟ ประกายไฟอาจจุดติดไฟ การต่อสายดินที่ออกแบบเฉพาะเปิดทางให้ประจุไหลออกและลดการสะสม ฟิสิกส์สนามเดียวกันจึงอธิบายทั้งอุปกรณ์ที่ใช้ประโยชน์และข้อกำหนดการออกแบบ

ตัวอย่าง: อิเล็กตรอนเกิน−−−e⁻โลก
ตัวอย่างอุปกรณ์นำไฟฟ้าที่มีประจุลบ อิเล็กตรอนออกตามสายเชื่อมไปยังโลก ทำให้ประจุลบส่วนเกินลดลง หากเริ่มมีประจุบวก อิเล็กตรอนอาจเข้าจากโลก การเชื่อมนี้ลดความเสี่ยงประกายไฟฟ้าสถิต

ความเข้มสนามไฟฟ้า

สนามออกแรง 0.006 N ไปทางขวาต่อประจุทดสอบ +2 μC จงหาความเข้มสนามไฟฟ้า

ข้อมูลโจทย์F = 0,006 Нq = +2 мкКлความเข้มสนาม E — ?ขนาดและทิศ
ประจุทดสอบบวก +2 μC รับแรงไฟฟ้า 0.006 N ไปทางขวา ต้องหาขนาดและทิศความเข้มสนามไฟฟ้าที่จุดนี้

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 1

หาสมบัติสนามโดยนำแรงไฟฟ้าหารขนาดประจุทดสอบ ก่อนอื่นแปลง +2 μC เป็น +0.000002 C

แปลงประจุเป็นคูลอมบ์F = 0,006 Нq = +2 мкКл2 мкКл = 2 · 10⁻⁶ Клq = +0,000002 Кл
ประจุทดสอบบวกกับแรงชี้ขวาคงเดิม เปลี่ยนเพียงการเขียนหน่วยประจุ: 2 мкКл = 2·10⁻⁶ Кл = 0,000002 Кл ปริมาณทางฟิสิกส์และเครื่องหมายคงเดิม

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 2

E = 0,006/0,000002 = 3000 Н/Кл หมายถึงอัตราส่วนแรงต่อขนาดประจุทดสอบเล็กที่จุดนี้เป็น 3000 N ต่อคูลอมบ์

E = F / |q|F = 0,006 Нq = +2 мкКлE = 0,006 / (2 · 10⁻⁶)E = 3000 Н/Кл
คงประจุทดสอบและแรงไฟฟ้าเดิม แทน 0.006 N และ 2·10⁻⁶ C ใน E = F/|q| ได้ขนาด E = 3000 Н/Кл ขั้นถัดไปใช้เครื่องหมายประจุหาทิศ

ตัวอย่างพร้อมวิธีคิด · 3

ประจุทดสอบเป็นบวก สนามจึงชี้ขวาตามแรงที่ระบุ ตรวจสอบ: 3000·0,000002 = 0,006 Н

ประจุทดสอบบวกF = 0,006 Нq = +2 мкКлE3000 Н/Кл ไปทางขวาF และ E ทิศเดียวกันเมื่อ q > 0
คงประจุบวกและแรงชี้ขวาเดิม ด้านล่างแสดงเวกเตอร์ E แยกที่จุดนี้ มีทิศเดียวกับแรงบนประจุบวก คำตอบ 3000 N/C ไปทางขวา ความยาวลูกศร F กับ E ไม่ได้ใช้เทียบปริมาณที่หน่วยต่างกัน

ตรวจสอบผลลัพธ์

E = 3000 Н/Кл ไปทางขวา ประจุทดสอบลบขนาดเท่ากันจะรับแรง 0.006 N ไปทางซ้าย

ใจความสำคัญ · 1

กฎคูลอมบ์เชื่อมขนาดประจุ ระยะ และแรงในแบบจำลองประจุจุดที่อยู่นิ่ง

ใจความสำคัญ · 2

ความเข้มสนามบอกลักษณะสนามที่จุดหนึ่ง การหารด้วยประจุทดสอบทำให้ผลไม่ขึ้นกับประจุทดสอบที่เลือก

ใจความสำคัญ · 3

นิยามทิศสนามด้วยประจุทดสอบบวก แรงบนประจุลบมีทิศตรงข้าม

บทเรียนถัดไป

เมื่อสนามกระทำต่อประจุที่เคลื่อนที่ได้ในตัวนำ จะเกิดกระแสไฟฟ้าได้

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

กฎของคูลอมบ์

แรงอันตรกิริยาระหว่างประจุจุดแปรผันตรงกับผลคูณขนาดประจุ และแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่าง

ทิศทางของแรงจะอยู่ในแนวเส้นระหว่างประจุ เครื่องหมายของประจุจะกำหนดแรงดึงดูดหรือแรงผลัก

สนามไฟฟ้า

รูปแบบของสสารที่เกิดจากประจุไฟฟ้าและออกแรงกระทำต่อประจุอื่น

ความเข้มสนามไฟฟ้าบอกแรงต่อหนึ่งหน่วยประจุทดสอบบวก เส้นสนามมีทิศจากบวกไปลบ

ไฟฟ้าสถิต

ประจุสะสมสามารถสร้างแรงดึงดูดของอนุภาคที่เป็นประโยชน์หรือปล่อยประกายไฟที่เป็นอันตรายได้

เครื่องดักฝุ่นไฟฟ้าสถิตใช้สนามทำความสะอาดอากาศ ส่วนการต่อสายดินลดความเสี่ยงที่ประกายไฟฟ้าสถิตจะจุดไอไวไฟ

ปริมาณทางฟิสิกส์

4 ปริมาณ

แรงไฟฟ้า

F

แรงอันตรกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้าทั้งสองที่อยู่ระหว่างการพิจารณา

หน่วย: นิวตัน · \mathrm{Н}

ความเข้มสนามไฟฟ้า

E

แรงไฟฟ้าต่อหนึ่งหน่วยประจุบวก

หน่วย: นิวตันต่อคูลอมบ์ · \frac{\mathrm{Н}}{\mathrm{Кл}}

ระยะห่างระหว่างประจุ

r

ระยะห่างระหว่างประจุจุดในกฎของคูลอมบ์

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

ค่าคงที่ของไฟฟ้าสถิต

k

ค่าสัมประสิทธิ์กฎของคูลอมบ์สำหรับตัวกลางและหน่วยที่เลือก

หน่วย: นิวตันตารางเมตรต่อคูลอมบ์ยกกำลังสอง · \frac{\mathrm{Н}\cdot\mathrm{м}^2}{\mathrm{Кл}^2}

สูตรบทเรียน

2 สูตร

กฎของคูลอมบ์

F = k\frac{|q_1q_2|}{r^2}

ขนาดแรงเท่ากับสัมประสิทธิ์คูณผลคูณขนาดประจุ แล้วหารด้วยกำลังสองของระยะห่าง

เงื่อนไข: ประจุจุดอยู่นิ่งในสุญญากาศ k ≈ 9·10⁹ Н·м²/Кл² สำหรับอากาศมักใช้การประมาณเดียวกัน ตัวกลางอื่นต้องคำนึงถึงสมบัติทางไฟฟ้าด้วย

ความเข้มสนามไฟฟ้า

E=\frac{F}{|q|}

ขนาดความเข้มสนามไฟฟ้าเท่ากับขนาดแรงไฟฟ้าหารด้วยขนาดประจุทดสอบ

เงื่อนไข: q คือประจุทดสอบไม่เป็นศูนย์ที่เล็กพอจะไม่รบกวนสนามอย่างมีนัยสำคัญ F คือแรงไฟฟ้า ทิศสนามหาจากแรงบนประจุทดสอบบวก

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

สนามและประจุทดสอบ

E = kQ/r²; F = qE; k = 9·10⁹ Н·м²/Кл²

ประจุจุดอยู่นิ่งในสุญญากาศ Q ถูกตรึงไว้และประจุทดสอบไม่เปลี่ยนแหล่งกำเนิด แกนชี้จาก Q ไปยังจุดสังเกตทางขวา

เมื่อ Q และ r คงเดิม ถ้าเพิ่มประจุทดสอบจาก 1 เป็น 2 μC ขนาดของ E จะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

แสดงเวกเตอร์
++QqrEF
0-2160.253420.59000.751,45812,016E, кН/Клr, м
E

ลูกศร E และ F แสดงทิศทาง ห้ามเปรียบเทียบความยาวกันเพราะใช้หน่วยต่างกัน

ผลการคำนวณ

E
72 кН/Кл
F
0.072 Н
อธิบายผล

E ขึ้นกับประจุต้นกำเนิดและระยะห่าง ส่วน F ขึ้นกับประจุทดสอบด้วย q ติดลบทำให้แรงกลับทิศ แต่ไม่เปลี่ยนทิศสนาม

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ