विद्युत क्षेत्र की विशेषताएं

लेख विद्युत क्षेत्र की मुख्य विशेषताओं का वर्णन करता है: क्षमता, वोल्टेज और तीव्रता।

विद्युत क्षेत्र क्या है

विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए, विद्युत आवेश बनाना आवश्यक है। आवेशों (आवेशित पिंडों) के चारों ओर के स्थान के गुण उस स्थान के गुणों से भिन्न होते हैं जिसमें कोई आवेश नहीं होता है। उसी समय, अंतरिक्ष के गुण, जब इसमें एक विद्युत आवेश पेश किया जाता है, तुरंत नहीं बदलते हैं: परिवर्तन आवेश से शुरू होता है और अंतरिक्ष में एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक एक निश्चित गति से फैलता है।

आवेश वाले स्थान में, उस स्थान में पेश किए गए अन्य आवेशों पर कार्य करने वाले यांत्रिक बल प्रकट होते हैं। ये बल एक आवेश की दूसरे पर प्रत्यक्ष क्रिया का परिणाम नहीं हैं, बल्कि गुणात्मक रूप से परिवर्तित माध्यम से होने वाली क्रिया का परिणाम हैं।

विद्युत आवेशों के चारों ओर का स्थान, जिसमें विद्युत आवेशों पर कार्य करने वाले बल प्रकट होते हैं, विद्युत क्षेत्र कहलाते हैं।

एक विद्युत क्षेत्र में आवेश क्षेत्र की ओर से उस पर कार्य करने वाले बल की दिशा में गति करता है।ऐसे आवेश की शेष अवस्था तभी संभव है जब विद्युत क्षेत्र की शक्ति को संतुलित करने वाले आवेश पर कुछ बाह्य (बाह्य) बल लगाया जाता है।

जैसे ही बाहरी बल और क्षेत्र की ताकत के बीच संतुलन बिगड़ता है, चार्ज फिर से चलना शुरू हो जाता है। इसके आंदोलन की दिशा हमेशा अधिक बल की दिशा से मेल खाती है।

स्पष्टता के लिए, विद्युत क्षेत्र को आमतौर पर तथाकथित विद्युत क्षेत्र रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है। ये रेखाएँ विद्युत क्षेत्र में कार्य करने वाली शक्तियों की दिशा से मेल खाती हैं। उसी समय, इतनी रेखाएँ खींचने पर सहमति हुई कि रेखाओं के लंबवत स्थापित क्षेत्र के प्रत्येक 1 सेमी 2 के लिए उनकी संख्या संबंधित बिंदु पर क्षेत्र की ताकत के समानुपाती थी।

क्षेत्र की दिशा को आमतौर पर किसी दिए गए क्षेत्र में रखे गए धनात्मक आवेश पर कार्य करने वाली क्षेत्र शक्ति की दिशा के रूप में लिया जाता है। धनात्मक आवेशों को धनात्मक आवेशों द्वारा प्रतिकर्षित किया जाता है और ऋणात्मक आवेशों की ओर आकर्षित किया जाता है। इसलिए, क्षेत्र को सकारात्मक से नकारात्मक आरोपों की ओर निर्देशित किया जाता है।

चित्रों में बल की रेखाओं की दिशा को तीरों द्वारा दर्शाया गया है। विज्ञान ने सिद्ध किया है कि विद्युत क्षेत्र की बल रेखाओं का आदि और अंत होता है, अर्थात वे स्वयं बंद नहीं होती हैं। क्षेत्र की कल्पित दिशा के आधार पर, हम पाते हैं कि बल की रेखाएँ धनात्मक आवेशों (सकारात्मक रूप से आवेशित पिंडों) से शुरू होती हैं और ऋणात्मक आवेशों पर समाप्त होती हैं।

चावल। 1. बल की रेखाओं का उपयोग करते हुए एक विद्युत क्षेत्र की छवि के उदाहरण: a - एक धनात्मक आवेश वाला विद्युत क्षेत्र, b - एक ऋणात्मक आवेश वाला विद्युत क्षेत्र, c - दो विपरीत आवेशों का एक विद्युत क्षेत्र, d - a दो समान आवेशों का विद्युत क्षेत्र

अंजीर में।1 बल की रेखाओं का उपयोग करके दर्शाए गए विद्युत क्षेत्र के उदाहरण दिखाता है। यह याद रखना चाहिए कि विद्युत क्षेत्र रेखाएँ किसी क्षेत्र को आलेखीय रूप से निरूपित करने का एक तरीका है। यहाँ बल अवधारणा की रेखा से बड़ा कोई पदार्थ नहीं है।

कूलम्ब का नियम

दो आवेशों के बीच परस्पर क्रिया की शक्ति आवेशों के आकार और पारस्परिक व्यवस्था के साथ-साथ उनके पर्यावरण के भौतिक गुणों पर निर्भर करती है।

दो विद्युतीकृत भौतिक निकायों के लिए, जिनके आयाम निकायों के बीच की दूरी की तुलना में नगण्य हैं, अंतःक्रिया का उपचार गणितीय रूप से निम्नानुसार निर्धारित किया जाता है:

जहाँ F न्यूटन (N) में आवेशों के परस्पर क्रिया का बल है, k - मीटर (m), Q1 और Q2 में आवेशों के बीच की दूरी - विद्युत आवेशों का परिमाण (k), k आनुपातिकता गुणांक है, जिसका मान आवेशों के चारों ओर माध्यम के गुणों पर निर्भर करता है।

उपरोक्त सूत्र इस तरह पढ़ता है: दो बिंदु आवेशों के बीच परस्पर क्रिया का बल इन आवेशों के परिमाण के गुणनफल के सीधे आनुपातिक होता है और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है (कूलॉम्ब का नियम)।

आनुपातिकता कारक k निर्धारित करने के लिए, अभिव्यक्ति k = 1 /(4πεεО) का उपयोग करें।

विद्युत क्षेत्र की क्षमता

एक विद्युत क्षेत्र हमेशा एक आवेश को गति प्रदान करता है यदि आवेश पर कार्य करने वाले क्षेत्र बल किसी बाहरी बल द्वारा संतुलित नहीं होते हैं। इसका तात्पर्य है कि विद्युत क्षेत्र में स्थितिज ऊर्जा होती है, अर्थात कार्य करने की क्षमता होती है।

किसी आवेश को अंतरिक्ष में एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर ले जाने पर, विद्युत क्षेत्र काम करता है, जिसके परिणामस्वरूप क्षेत्र में संभावित ऊर्जा की आपूर्ति कम हो जाती है।यदि कोई आवेश किसी विद्युत क्षेत्र में क्षेत्र बलों के विपरीत कार्य करने वाले किसी बाहरी बल की क्रिया के तहत गति करता है, तो कार्य विद्युत क्षेत्र बलों द्वारा नहीं, बल्कि बाहरी बलों द्वारा किया जाता है। इस मामले में, क्षेत्र की संभावित ऊर्जा न केवल घटती है, बल्कि इसके विपरीत, बढ़ जाती है।

किसी विद्युत क्षेत्र में किसी आवेश को गतिशील करने वाले बाह्य बल द्वारा किया गया कार्य उस गति का विरोध करने वाले क्षेत्र बलों के परिमाण के समानुपाती होता है। इस मामले में बाहरी बलों द्वारा किया गया कार्य पूरी तरह से क्षेत्र की संभावित ऊर्जा को बढ़ाने पर खर्च किया जाता है। क्षेत्र को उसकी स्थितिज ऊर्जा की ओर से निरूपित करने के लिए विद्युत क्षेत्र विभव कहलाने वाली राशि कहलाती है।

इस मात्रा का सार इस प्रकार है। मान लीजिए कि धनात्मक आवेश विचाराधीन विद्युत क्षेत्र के बाहर है। इसका अर्थ है कि दिए गए आवेश पर क्षेत्र का व्यावहारिक रूप से कोई प्रभाव नहीं पड़ता है। एक बाहरी बल को इस आवेश को विद्युत क्षेत्र में पेश करने दें और, क्षेत्र बलों द्वारा लगाए गए गति के प्रतिरोध पर काबू पाने के लिए, आवेश को क्षेत्र में दिए गए बिंदु पर ले जाएँ। बल द्वारा किया गया कार्य, और इसलिए वह मात्रा जिससे क्षेत्र की संभावित ऊर्जा में वृद्धि हुई है, पूरी तरह से क्षेत्र के गुणों पर निर्भर करता है। इसलिए, यह कार्य किसी दिए गए विद्युत क्षेत्र की ऊर्जा की विशेषता बता सकता है।

क्षेत्र में किसी दिए गए बिंदु पर रखे गए धनात्मक आवेश की एक इकाई से संबंधित विद्युत क्षेत्र ऊर्जा को दिए गए बिंदु पर क्षेत्र की क्षमता कहा जाता है।

यदि क्षमता को φ अक्षर से, आवेश को अक्षर q से और आवेश को स्थानांतरित करने में खर्च किए गए कार्य को W से निरूपित किया जाता है, तो किसी दिए गए बिंदु पर क्षेत्र की क्षमता सूत्र φ = W / q द्वारा व्यक्त की जाएगी।

यह इस प्रकार है कि किसी दिए गए बिंदु पर विद्युत क्षेत्र की क्षमता संख्यात्मक रूप से बाहरी बल द्वारा किए गए कार्य के बराबर होती है, जब एक इकाई सकारात्मक चार्ज किसी दिए गए बिंदु की ओर क्षेत्र से बाहर निकलता है। फील्ड क्षमता को वोल्ट (V) में मापा जाता है। यदि क्षेत्र के बाहर विद्युत के एक कूलॉम को किसी दिए गए बिंदु पर स्थानांतरित करने के दौरान, बाहरी बलों ने एक जूल के बराबर कार्य किया है, तो क्षेत्र में दिए गए बिंदु पर क्षमता एक वोल्ट के बराबर होती है: 1 वोल्ट = 1 जूल / 1 कूलम्ब

विद्युत क्षेत्र की ताकत

किसी भी विद्युत क्षेत्र में, सकारात्मक आवेश उच्च क्षमता वाले बिंदुओं से कम क्षमता वाले बिंदुओं की ओर बढ़ते हैं। इसके विपरीत, ऋणात्मक आवेश कम क्षमता वाले बिंदुओं से उच्च क्षमता वाले बिंदुओं की ओर बढ़ते हैं। दोनों ही मामलों में, विद्युत क्षेत्र की संभावित ऊर्जा की कीमत पर काम किया जाता है।

यदि हम इस कार्य को जानते हैं, अर्थात वह राशि जिसके द्वारा क्षेत्र की संभावित ऊर्जा घट गई है जब धनात्मक आवेश q क्षेत्र के बिंदु 1 से बिंदु 2 तक जाता है, तो इन बिंदुओं के बीच वोल्टेज का पता लगाना आसान है। क्षेत्र U1,2:

यू1,2 = ए / क्यू,

जहाँ A क्षेत्र बलों द्वारा किया गया कार्य है जब आवेश q को बिंदु 1 से बिंदु 2 पर स्थानांतरित किया जाता है। विद्युत क्षेत्र में दो बिंदुओं के बीच वोल्टेज एक बिंदु से एक इकाई धनात्मक आवेश को स्थानांतरित करने के लिए शून्य द्वारा किए गए कार्य के बराबर होता है। दूसरे के क्षेत्र में।

जैसा कि देखा जा सकता है, क्षेत्र के दो बिंदुओं के बीच वोल्टेज और समान बिंदुओं के बीच संभावित अंतर एक ही भौतिक इकाई का प्रतिनिधित्व करते हैं ... इसलिए, वोल्टेज और संभावित अंतर समान हैं। वोल्टेज को वोल्ट (V) में मापा जाता है।

दो बिंदुओं के बीच का वोल्टेज एक वोल्ट के बराबर होता है, यदि क्षेत्र के एक बिंदु से दूसरे बिंदु पर बिजली के एक कूलॉम को स्थानांतरित करते समय, क्षेत्र बल एक जूल के बराबर काम करते हैं: 1 वोल्ट = 1 जूल / 1 कूलॉम

विद्युत क्षेत्र की ताकत

यह कूलम्ब के नियम से अनुसरण करता है कि इस क्षेत्र में रखे गए किसी अन्य आवेश पर कार्य करने वाले किसी दिए गए आवेश की विद्युत क्षेत्र की शक्ति क्षेत्र के सभी बिंदुओं पर समान नहीं होती है। किसी भी बिंदु पर विद्युत क्षेत्र को उस बल के परिमाण द्वारा वर्णित किया जा सकता है जिसके साथ यह किसी दिए गए बिंदु पर स्थित इकाई सकारात्मक चार्ज पर कार्य करता है।

इस मान को जानकर, प्रत्येक आवेश Q पर कार्य करने वाले बल F को निर्धारित किया जा सकता है। आप लिख सकते हैं कि F = Q x E, जहाँ F विद्युत क्षेत्र द्वारा क्षेत्र में एक बिंदु पर रखे गए आवेश Q पर कार्य करने वाला बल है, E है क्षेत्र में एक ही बिंदु पर रखे गए एक इकाई धनात्मक आवेश पर कार्य करने वाला बल। क्षेत्र में किसी दिए गए बिंदु पर इकाई सकारात्मक चार्ज द्वारा अनुभव किए गए बल के बराबर मात्रा ई को विद्युत क्षेत्र की ताकत कहा जाता है।