Elektrisk felt

Det elektriske feltet beskriver hvordan kildeladninger endrer rommet omkring seg. Når feltet er kjent, følger kraften på en vilkårlig testladning direkte. Dermed kan egenskapene til kildene skilles fra ladningen som brukes til å undersøke feltet.

Felt betyr kraft per positiv enhetsladning

Definisjonen er E⃗ = F⃗/q, slik at F⃗ = qE⃗. SI-enheten N C⁻¹ er ekvivalent med V m⁻¹. Retningen til E⃗ er den retningen en positiv testladning ville bli skjøvet.

En negativ ladning får derfor kraft motsatt feltretningen. Feltet er en egenskap ved kildekonfigurasjonen og finnes selv om ingen testladning er plassert i punktet.

Feltet fra en punktladning

+r
En positiv punktladning lager et felt utover; for en negativ ladning er retningen motsatt. Feltstyrken avtar som 1/r².

For en isolert punktladning er størrelsen E = k|Q|/r², der k = 8,9875517923 × 10⁹ N m² C⁻². Den inverse kvadratlovens betydning er konkret: dobbelt avstand gir en fjerdedel av feltstyrken.

Fortegnet til Q bestemmer retningen: bort fra en positiv kilde og inn mot en negativ kilde. Formelen for størrelsen bruker |Q|; fortegnet håndteres i retningen.

Punktladningens felt

Superposisjon: felt summeres som vektorer

++E₁E₂ΣE
Elektriske felt følger superposisjonsprinsippet: bidragene summeres som vektorer, ikke bare som tall.

Når flere kildeladninger er til stede, beregnes feltet fra hver kilde i observasjonspunktet som om de andre ikke fantes. Deretter summeres feltvektorene komponent for komponent.

Symmetri kan gjøre regningen kort. Størrelser kan bare summeres direkte når alle feltvektorene faktisk ligger langs samme linje med riktig fortegn; ellers må vektorgeometrien beholdes.

Slik leses feltlinjer

Feltlinjer er en visualisering, ikke fysiske tråder. De går ut fra positive ladninger og ender på negative ladninger eller i det fjerne. Feltet er tangent til linjen i hvert punkt, og tettere linjer viser relativt sterkere felt.

Feltlinjer krysser aldri hverandre, fordi ett punkt ikke kan ha to ulike feltretninger samtidig. Antallet tegnede linjer er en konvensjon; mønster, retning og relativ tetthet er det som har fysisk mening.

Felt, krefter og bevegelse

Når E⃗ er kjent, er den elektriske kraften qE⃗ og akselerasjonen blir a⃗ = qE⃗/m dersom andre krefter kan neglisjeres. To partikler med motsatt ladning kan derfor akselerere i motsatte retninger i samme felt.

I elektrostatisk likevekt er feltet inne i et ledende materiale null; ellers ville frie ladninger fortsette å bevege seg. Overskuddsladning ligger på overflaten, og feltet rett utenfor står normalt på overflaten.

Løste eksempler

1. Felt fra en punktladning

Finn feltstyrken 0,20 m fra en punktladning på +3,0 nC.

Løsning

E = k|q|/r² = (8,99 × 10⁹)(3,0 × 10⁻⁹)/(0,20)² ≈ 674 N C⁻¹, rettet bort fra den positive ladningen.

2. Kraft på en testladning

En ladning på −2,0 μC plasseres i et homogent felt på 300 N C⁻¹ mot øst. Hvilken kraft virker?

Løsning

|F| = |q|E = 2,0 × 10⁻⁶ × 300 = 6,0 × 10⁻⁴ N. Fordi q er negativ, peker kraften vestover, motsatt feltet.

3. Midtpunkt mellom like positive ladninger

Hva er netto elektrisk felt nøyaktig halvveis mellom to like positive punktladninger?

Løsning

Feltene har lik størrelse og motsatt retning i midtpunktet. De enkelte feltene er ikke null, men de kansellerer vektorielt, så Enetto = 0.