La forza elettrostatica si sviluppa sotto il campo fisico chiamato campo elettrico, che circonda le cariche di attrazione o repulsione. L'articolo discute cosa sono la forza elettrostatica e il campo e come sono correlati.
Ogni carica è racchiusa dal suo campo o distribuzione di energia che trasmette le sue proprietà elettriche attraverso gli spazi ad altre cariche. È così che il campo della propria carica si avvicina alle altre cariche e, una volta avvicinate, esercitano una forza elettrostatica senza contatto fisico.
In articoli precedenti, abbiamo appreso la forza gravitazionale tra due oggetti interagenti aventi massa. Per esercitare il forza di gravità, ci deve essere un campo che circonda la terra, e sono tutte le altre masse in modo che quando un'altra massa raggiunge quel campo, entrambe le masse sperimentino la forza di gravità. Allo stesso modo, la forza elettrostatica, una forza senza contatto, esercita tra due cariche quando si trovano nel campo elettrostatico. È perché la gravità e la forza elettrostatica seguono il legge del quadrato inverso quando due masse sono separate dalla distanza.
Il campo elettrico è la proprietà della carica elettrica presente in ogni punto dello spazio. L'intensità della direzione del campo è chiamata intensità del campo elettrico o intensità di campo che è diverso in diversi punti all'interno dello spazio. Il campo varia a seconda della carica, ma poiché è originato dal Legge del quadrato inverso di Coulomb di distanza, il campo cambia inversamente con il quadrato della distanza dalla carica. Ciò significa che se raddoppiamo l'intensità della carica, il campo diventa doppio. Ma al doppio del distanza dalla carica, il campo è un quarto della sua forza iniziale.
Il campo elettrico è rappresentato tracciando linee, denominate linee di campo attorno alla carica. La direzione del campo indicata da una freccia è insieme alla forza elettrostatica. L'intensità del campo elettrico dipende da come la carica è distribuita nello spazio.
(credito: shutterstock)
Abbiamo capito che il la forza elettrostatica viene esercitata tra due cariche a distanza. Ma invece di due, consideriamo una carica come 'addebito alla fonte' da cui si è sviluppato il campo elettrico. L'altro addebito introdotto nel campo dell'addebito alla fonte è denominato 'carica di prova'. A causa dell'interazione elettrica indiretta tra il campo elettrico e la carica di prova rispetto alla carica della sorgente, la forza elettrostatica impiegata dalla carica della sorgente nella carica di prova come da legge di Coulomb.
La carica di prova trasporta anche il suo campo elettrico che altera il campo esistente della carica sorgente. Quindi, la sorgente puntiforme utilizza la forza elettrostatica per generare carica sotto il suo campo elettrico. Affinché , il forza elettrostatica risultante tra due cariche aumenta.
La direzione delle linee di campo dipende dalla polarità della carica. Le cariche neutre non creano campo o linee di campo attorno ad esso. Se la carica della sorgente è positiva, le sue linee di campo sono dirette radialmente verso l'esterno. Se è negativo, sono diretti radialmente verso l'interno.
- Se entrambe le cariche sono simili o positive e positive o negative o negative, le linee di campo del rispettivo campo non coincidono mai poiché si respingono a vicenda.
- Se sono cariche diverse o positive e negative, le loro linee di campo coincidono mentre si attraggono.
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In un caso di cariche diverse, la linea di campo radialmente verso l'esterno è incorporata nelle linee radialmente verso l'interno del carica di prova negativa su cui la forza elettrostatica sta esercitando.
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Esempio di forza elettrostatica e campo
Supponiamo di allegare una carica di prova positiva all'estremità dell'asta. Portando il bastone in una posizione diversa, possiamo sperimentare il campo elettrico delle cariche di prova in vari punti.
Quindi sperimentiamo la spinta o la trazione sull'asta mentre le cariche di prova attraggono o respingono altre cariche a causa della forza elettrostatica. Se allontaniamo la carica sorgente dalla carica di prova, il suo campo elettrico rimarrà lo stesso in quel punto.
(credito: shutterstock)
Quindi, il campo elettrico distribuisce la forza elettrostatica dalla carica sorgente in una piccola carica di prova in diversi punti dello spazio.
Alleggerimento nasce da il campo elettrico tra le fredde nubi temporalesche e la calda superficie terrestre. Le regioni caricate elettricamente provocano fulmini a causa di scarica elettrostatica attraverso l'aria, che funge da isolante tra due regioni. Quando la capacità isolante dell'aria che trattiene le cariche opposte va in frantumi, si verifica una scarica elettrica istantanea sotto forma di fulmine.
(credito: otturatore)
Nel processo precedente, fulmini intra-nube si verifica quando le cariche rimangono all'interno della nuvola quando l'intensità del campo elettrico di entrambe le regioni è uguale. Più tardi, quando l'intensità del campo terrestre è diventata più forte delle nuvole, le cariche hanno iniziato a raggiungere il suolo terrestre, portando a fulmini nuvola-terra.
Maggiori informazioni sui tipi di forze.
Relazione tra campo elettrico e forza elettrostatica
Il campo elettrico e la forza elettrostatica sono correlati dall'entità della carica di prova.
Il campo elettrico E della carica sorgente è il forza elettrostatica F per unità di carica di prova q. Quindi, il campo elettrico diminuisce all'aumentare della distanza radialmente dalla carica sorgente. È descritto dalla forza elettrostatica in punti distinti usando la formula del quadrato inverso della legge di Coulomb.
Le cariche elettrostatiche esercitano forza senza avere contatto fisico. Quindi possiamo immaginare che esista un campo elettrico attorno a entrambe le cariche per i suoi scambi elettrostatici. In tal caso, la forza è reale, mentre il campo è immaginario.
Poiché il campo elettrico è il quantità vettoriali, ha intensità diverse in diversi punti all'interno dello spazio. Quindi, la forza esercitata dalla carica sorgente cambia da un punto all'altro.
Il campo elettrico e la forza elettrostatica sono correlati come,
Quindi, l'unità di misura (SI) di un campo elettrostatico è Newton/Coulomb (N/C).
Analizziamo il campo elettrico dovuto alla carica di sorgente positiva Q che esercita la forza elettrostatica F su due diverse cariche di prova alla stessa distanza r dalla carica Q.
- Se la carica di prova q1 è positivo, le loro linee di campo sono dirette radialmente lontano e la forza elettrostatica tra di loro è repulsiva.
- Se q1 è negativo, le loro linee di campo sono dirette radialmente l'una verso l'altra e la forza elettrostatica tra di loro è attraente.
Da entrambi i punti, la forza elettrostatica F dipende da entrambe le cariche, anche se esercitate l'una sull'altra all'interno del campo elettrico.
La forza elettrostatica tra le cariche è il prodotto del campo elettrico e dell'intensità della carica di prova, ed è dato da,
Dall'equazione (*) e (1), apprendiamo che il campo elettrico F e la forza elettrostatica sono nella stessa direzione.
La forza elettrostatica dovuta alla legge di attrazione o repulsione di Coulomb è,
Dall'equazione (*), la grandezza del campo elettrico E è dato da,
Usando l'equazione (2),
L'equazione sopra mostra che il campo elettrico E dipende dalla carica della sorgente Q e dalla sua distanza r. Mentre la carica di prova q è minuscola, non varia la distribuzione della carica della sorgente, costruendo il suo campo elettrico.
Forza elettrostatica e problemi di campo elettrico
Supponiamo che la carica sorgente di 10 nC sia separata dalla carica di prova a 10 m. Qual è l'intensità del campo elettrico della carica sorgente? (Ke = 9 x 109Nm2c-2)
Dato:
Q = 10 nC = 10 x 10-9 C
r = 10 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Trovare: E =?
Formula:
Soluzione:
Il campo elettrico tra le cariche è calcolato come
Sostituendo tutti i valori,
MI = 90/100
E = 0.9
Il campo elettrico della carica della sorgente è 0.9 N/C.
Supponiamo che entrambe le cariche di 5nC interagiscano a distanza l'una dall'altra a 5 m. Qual è la forza elettrostatica tra le cariche interagenti? Calcola il campo elettrico.
Dato:
q1 = 5nC = 5 x 10-9 C
q2 = 5nC = 5 x 10-9 C
r = 5 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Trovare:
- F =?
- E =?
Formula:
- E=F/q2
Soluzione:
I forza elettrostatica tra le cariche è calcolato come,
Sostituendo tutti i valori,
F = 9 x 10-9
La forza elettrostatica tra le cariche è 9 x 10-9N.
Il campo elettrico tra le cariche è calcolato come
E=F/q2
Sostituendo tutti i valori,
Il campo elettrico tra le cariche è 1.8 x 10-9N/C.
In un condensatore a piastre parallele, due piastre sono separate da un mezzo dielettrico a una distanza di 5 cm. Se il campo elettrico tra le cariche sviluppate sulla piastra è 2N/C. Calcola la forza elettrostatica tra di loro se entrambe le cariche hanno la stessa intensità.
Dato:
E = 2NC
r = 5 m
ke = 9 x 109 Nm2c-2
Trovare:
- q1 =?
- q2 =?
- F =?
Formula:
Soluzione:
L'entità della carica della sorgente è calcolata utilizzando il Formula del campo elettrico.
Sostituendo tutti i valori,
riorganizzazione,
q1 = 5.5 x 10-9
Entrambe le cariche hanno la stessa intensità. cioè, q1 =q2 = 5.5 nC
L'intensità di entrambe le cariche è 5.5 nC.
La forza elettrostatica tra le due cariche viene calcolata utilizzando Legge di Coulomb.
Sostituendo tutti i valori,
F = 10.89 x 10-9
La forza elettrostatica tra le cariche è 10.89 x 10-9N.
Leggi di più su Come calcolare la forza.
Differenza tra forza elettrostatica e campo elettrico
| Forza elettrostatica | Campo elettrico |
| Viene generato quando due cariche interagenti si avvicinano l'una all'altra. | Viene generato da una sola fonte o carica puntiforme. |
| Accelera le cariche. | Non accelera le spese. |
| La sua intensità e direzione dipendono sia dalla sorgente che dalle cariche di prova. | La sua intensità e direzione dipendono solo dalla carica della sorgente. |
| È il rapporto tra il prodotto delle cariche e il quadrato della distanza tra le cariche. | È il rapporto tra la forza elettrostatica e la carica di prova. |
| La sua formula Coulomb è, | La sua formula Coulomb è, |
| La sua unità di misura è Newton (N). | La sua unità di misura è Newton/Coulomb (N/C). |
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