Campul electric

Campul electric

Fiecarui punct din spatiul din jurul Pamantului ii putem asocia un vector al intensitatii campului gravitational . Aceasta este acceleratia gravitationala care va actiona asupra unui corp de proba plasat in acest punct si lasat apoi liber. Daca m este masa corpului, iar este forta gravitationala ce actioneaza asupra sa, g este dat de

(1)

Acesta este un exemplu de camp vectorial. Pentru punctele situate in apropierea suprafetei Pamantului, campul este adesea considerat ca uniform adica este acelasi pentru toate punctele.

Curgerea apei intr-un rau este un alt exemplu de camp vectorial, numit camp de curgere. Fiecarui punct din apa ii este asociaza o marime vectoriala, viteza cu care apa curge in acel punct. Daca si nu se modifica in timp, campurile corespunzatoare se numesc stationare. Este de notat ca in cazul raului, chiar daca apa se deplaseaza, vectorul din oricare punct nu variaza cu timpul in cazul curgerii stationare.

Spatiul din jurul unui corp incarcat este afectat de prezenta corpului si noi vorbim de existenta unui camp electric in acest spatiu. Analog, vorbim de existenta unui camp magnetic in spatiul din jurul unui corp magnetic. In teoria clasica a electromagnetismului campurile electrice si magnetice sunt notiuni fundamentale.

Inaintea lui Faraday forta ce actiona intre doua particule incarcate era considerata ca o interactie directa si instantanee intre cele doua particule. Aceasta actiune la distanta era valabila si pentru cazul fortelor magnetice. In prezent conceptia noastra despre campul electric este urmatoarea:

1. Sarcina q₁, din figura 1 produce in spatiul din jurul sau un camp electric. Acest camp este sugerat in figura prin pata de lumina; mai tarziu vom arata cum putem reprezenta campurile electrice mai corect.

2. Campul actioneaza asupra sarcinii q₂; aceasta este indicata prin forta asupra lui q₂. Campul joaca un rol de intermediar pentru fortele dintre sarcini. Exista doua probleme separate: (a) calculul campurilor produse de distributii date de sarcini si (b) calculul forjelor pe care campuri date le exercita asupra sarcinilor plasate in ele.

Imaginea noastra este

sarcina camp

diferita de cea a conceptiei actiunii la distanta

sarcina sarcina

In figura 1 ne putem imagina de asemenea ca sarcina q₂ da nastere unui camp si ca acest camp actioneaza asupra lui q₁ producand forta asupra sa. Situatia este complet simetrica, fiecare sarcina fiind situata intr-un camp asociat celeilalte sarcini.

Daca singura problema din electromagnetism ar fi aceea a fortelor dintre sarcini stationare, cele doua puncte de vedere: tea a campului si cea a actiunii la distanta ar fi perfect echivalente. Sa presupunem totusi ca sarcina q₁ din fig. 1 este accelerata brusc spre dreapta. Cat de repede simte sarcina q₂ deplasarea sarcinii q₁, si ca forla ce actioneaza asupra sa (q₂) trebuie sa creasca? Teoria electromagnetica arata ca sarcina q₂ simte deplasarea sarcinii q₁, datorita unei perturbari a campului, perturbare ce porneste de la q₁, propagandu-se cu viteza luminii. In conceptia actiunii la distanta se considera ca informatia asupra accelerarii sarcinii q₁ este comunicata instantaneu sarcinii q ; aceasta nu este in concordanta cu experienta. Electronii accelerati in antena unui emitator radio influenteaza electronii dintr-o antena receptoare departata numai dupa un timp l/c unde l este distanta dintre antene, iar c viteza luminii.

Intensitatea campului electric

Pentru a defini operational campul electric plasam o mica proba ce poarta sarcina q₀ (pentru comoditate o presupunem pozitiva) in punctul din spatiu pe care vrem sa-1 examinam si masuram forta electrica (daca exista) ce actioneaza asupra acestei probe. Intensitatea campului electric in acest punct se defineste ca

(2)

Aici este vector deoarece si F este, q₀ fiind scalar. Directia lui este aceea a lui , este directia in care tinde sa se deplaseze o sarcina pozitiva in repaus plasata in punctul dat.

Definitia intensitatii campului gravitational este foarte asemanatoare aceleia a intensitatii campului electric, cu exceptia ca masa corpului de proba si nu sarcina sa este proprietatea ce ne intereseaza. Desi unitatile in care este scris de obicei sint m/s² el poate fi scris si sub forma N/kg ; unita~ile pentru sunt N/C. Astfel atat cat si sunt exprimate printr-o forta impartita la o marime caracteristica (masa sau sarcina) a probei.

Exemplul 1. Care trebuie sa fie marimea intensitatii campului electric pentru ca un electron plasat in camp sa fie supus unei forte electrice egala cu greutatea sa?

Din ecuatia (2), inlocuind pe q₀ prin e si pe F prin mg, unde m, este masa electronului, avem

Acesta este un camp electric foarte slab. Ce directie trebuie sa aibe pentru ca forta electrica sa echilibreze forta gravitationala?

Aplicand ecuatia (2) trebuie sa folosim o sarcina de proba cat este posibil de mica. O sarcina de proba mare poate perturba sarcinile primare care produc campul, modificand chiar marimea pe care incercam s-o masuram. Ecuatia (2) trebuie sa fie inlocuita prin

Aceasta ecuatie      ne arata ca trebuie sa folosim sarcini de proba q₀ din ce in ce mai mici, evaluand raportul la fiecare etapa. Intensitatea campului electric este deci limita acestui raport atunci cand marimea sarcinii de proba tinde catre zero.