Električno polje i jakost polja
Što je električno polje?
U stvari, što je "polje"? Postoji više načina da se odgovori na to pitanje, ali se svi svode na sljedeće:
Polje je fizikalna veličina koja svakoj točki u prostoru pridružuje svojevrsni natpis (oznaku) kao karakteristiku te točke. Oznake mogu biti skalari ili vektori.
Od skalarnih polja najčešće nailazimo na polje temperature: viđamo ga svakodnevno u vremenskoj prognozi. Kao natpis (oznaka) točke koriste se očitanja termometra u točki u kojoj se trenutno nalazi termometar. Vrijednosti očitanja prikazuju se osim brojčano i kao nijanse boja na geografskoj karti polja.
Vektorsko polje je primjerice polje vjetra: točkama u prostoru pridružuje se vektor brzine i smjera vjetra. Duljina strelice pokazuje brzinu, a orijentacija smjer vjetra.
Električno polje je prostor oko naboja. Svojstvo je takvog prostora da će na svaki naboj doveden u neku točku polja djelovati Coulombova sila, čiji smjer će ovisiti o predznacima naboja izvora i dovedenog naboja.
Kako možemo mjeriti električno polje? Pomoću jednostavnog "elektrometra": Na tanku nit objesimo staklenu kuglicu. Zatim kuglicu elektriziramo trljanjem svilenom tkaninom. Neki elektroni s kuglice preskoče na tkakninu i tako ostave kuglicu pozitivno nabijenu.
Sada možemo naš elektrometar upotrijebiti za mjerenje električnih osobina predmeta i prostora oko njih. Ako elektrometar približimo pozitivno nabijenom tijelu, kuglica će se otkloniti tako da nastoji biti čim dalje od tog tijela. Kut otklona bit će razmjeran sili na kuglicu u toj točki prostora.
Naš elektrometar može poslužiti i za mjerenje električnih osobina "praznog prostora". Primjerice, hodamo po sobi i bilježimo smjer i iznos otklona kuglice jer negdje postoji izvor polja. Otklon i smjer ucrtamo kao vektore na tlocrt sobe. Vektori pokazuju iznos i smjer električne sile na kuglicu elektrometra u pojedinim točkama sobe. Možemo li iz tog prikaza vidjeti gdje se u prostoriji nalazi naboj izvora i kojeg je predznaka?
Naš je nacrt (skoro) točan nacrt električnog polja, jer se električno polje definira kao:
karakteristika točke u prostoru koja pokazuje iznos i smjer električne sile kakva bi djelovala na točkasti naboj od +1 C u toj točki.
Pretpostavimo da naša staklena kuglica ima naboj od samo +3 µC, tako da je iznos sile koji smo mjerili mnogo manji od one koja bi djelovala na naboj od +1 C. Zato trebamo preračunati silu da bismo naš nacrt pretvorili u standardni prikaz električnog polja.
Kada u blizini nema drugog naboja, nego samo naboj izvora onda točkama u prostoru oko njega pridružujemo vektorsku dinamičku karakteristiku - jakost polja. Jakost polja ℰ razmjerna je naboju izvora i obrnuto je razmjerna kvadratu udaljenosti te točke od izvora.
Dogovorom je određeno da vektor jakosti polja u nekoj točki ima onaj smjer u kojem bi se gibao pozitivan naboj kada bi ga doveli u tu točku polja.
Zašto kažemo da je jakost polja dinamička karakteristika točke u električnom polju?
Kada u neku točku elektičnog polja dovedemo naboj q na njega će djelovati sila razmjerna jakosti elektrčnog polja u toj točki. Množenjem tog naboja i jakosti električnog polja ℰ dobit ćemo iznos sile koja djeluje na naboj:
U udžbenicima se obično jakost polja definira kao "Sila na jedinični naboj", međutim konceptualno to nije sila, jedinica za jakost polja nije njutn [N], nego [N/C] ili [V/m]. Stoga je ispravno reći da je jakost polja samo po iznosu jednaka sili kakva bi djelovala na naboj od 1 C kada bi taj jedinični naboj doveli u tu točku.
Budući da je jakost polja karakteristika točke njezina vrijednost neovisna je o tome postoji li u toj točki bilo kakav naboj (tzv. ispitni ili jedinični) ili ne postoji.
