الکتریسیته: تفاوت میان نسخه‌ها

مفهوم [[میدان (فیزیک)|میدان]] الکتریکی توسط [[مایکل فارادی]] مطرح شد. میدان الکتریکی در اطراف جسم باردار شکل می‌گیرد و به تمام ذرات باردار درون میدان نیرو وارد می‌کند. میدان الکتریکی بین دو بار، مشابه میدان جاذبه بین دو [[جرم (فیزیک)|جرم]] عمل می‌کند و مانند آن در فضای بی‌نهایت گسترش می‌باید و یک رابطه مجذور معکوس با فاصله نشان می‌دهد.<ref name=Umashankar/> اما،اما یک فرق اساسی دربا این بین وجودآن دارد.: میدان جاذبه همیشه در نقش جذب‌کننده عمل می‌کند و می‌کوشد تا دو جسم را به یکدیگر برساند، در حالی که میدان الکتریکی می‌تواند هم سبب جذب شود و هم دفع. از آن جا که اجسام بزرگبزرگ، مانند سیاره‌هاسیاره‌ها، دارای بار خالص نیستند، اغلب میدان الکتریکی در اطراف آن‌ها صفر است؛است. لذا نیروی جاذبه با وجود اینکهاین نیرو جاذبهکه بسیار ضعیفترضعیف‌تر است، در گیتی نیروی غالب به‌شمار می‌آید.<ref name=hawking/>

میدان الکتریکی به‌طور عمومی در فضا متغیر است<ref dir=ltr>Almost all electric fields vary in space. An exception is the electric field surrounding a planar conductor of infinite extent, the field of which is uniform.</ref> و شدت آن در هر نقطه با نیرویی مشخص می‌شود که به وسیله هریک بار اندکالکتریکی ثابتیغیرمتحرک احساس می‌گرددمی‌کند.<ref name=uniphysics/>{{Rp|469–70}} بار فرضیفرضی، که [[ذره آزمون]] نام دارد، بسیار کوچک است تا میدان الکتریکی آن با میدان الکتریکی اصلی تداخل نداشته باشد و همچینیهمچنین ثابت است تا از تأثیر [[میدان مغناطیسی|میدان‌های مغناطیسی]] جلوگیری کند. از آن جا که میدان الکتریکی با واحد نیرو شناسایی می‌شود،می‌شود و نیرو نیز یک [[بردار اقلیدسی]] است، در نتیجهنتیجه، یک میدان مغناطیسی یک بردار است که هم [[شدت میدان|شدت]] دارد و هم [[مسیر (هندسه)|مسیر]]. درو واقعدر اینواقع، یک [[میدان برداری]] است.<ref name=uniphysics/>{{Rp|469–70}}

مطالعهمطالعهٴ میدان الکتریکی حاصل از بارهای ثابتثابت، [[الکتریسیته ساکن|الکتریسیتهٴ ساکن]] نام دارد. میدان به وسیلهبه‌وسیلهٴ مجموعه‌ای از خطوط فرضی نمایش داده می‌شود که در هر نقطه از میدان مسیر آن را نمایش می‌دهند. این مفهوم بهمفهوم، وسیلهبه‌وسیلهٴ فارادی مطرح شد،<ref name="elec_princ_p73" dir=ltr>{{Citation |last=Morely & Hughes |title=Principles of Electricity, Fifth edition |page=73 |isbn=0-582-42629-4}}</ref> که واژه [[خط نیرو]]یی که او بیان کرده بود، هنوز نیز کاربرد دارد. خطوط میدانمیدان، مسیرهایی هستند که یک بار مثبت نقطه‌ای هنگامی که بدان نیرو وارد می‌شود، آن مسیرها را طی می‌کند. به هر حال، آن‌ها یک مفهوم ذهنی هستند و واقعیت فیزیکی ندارند و میدان به فضای بین خطوط نفوذ دارد. خطوط میدان ناشی از بارهای ساکنساکن، چند ویژگی کلیدی دارند: اولاً، آن‌ها از بارهای مثبت سرچشمه می‌گیرند و به بارهای منفی ختم می‌شوند. ثانیاً، باید با زاویه‌ای قایم وارد اجسام رسانا شوند،شوند و ثالثاً، هرگز یکدیگر را قطع نمی‌کنند.<ref name=uniphysics/>{{Rp|479}}

یک جسم رسانای توخالی تمام بارش را در سطح خارجی خود نگه می‌دارد. در نتیجه میدان در تمام نقاط داخل جسم صفر است.<ref name=Duffin/>{{Rp|88}} این موضوع نقش اصلی را در [[قفس فاراده]] بازی می‌کند،می‌کند. این قفسقفس، یک پوستهپوستهٴ فلزی رساناست که فضای داخلی خود را از تأثیرات الکتریکی خارجی جدا می‌کند.{{مدرک|date=سپتامبر ۲۰۱۹}}

نقش الکتریسیتهالکتریسیتهٴ ساکن در طراحی آیتم‌های وسایل [[ولتاژ بالا]]، پر رنگپررنگ است. برای شدت میدان الکتریکی که یک جسم متوسط می‌تواند تحمل کند، محدودیتی وجود دارد. فراتر از این نکته، [[شکست الکتریکی]] رخ می‌دهد و [[قوس الکتریکی]] سبب ایجاد صاعقه بین دو قسمت باردار می‌شود. برای مثال، هوا تمایل دارد با عبور دادن قوس الکتریکی و ایجاد شکاف، شدت میدان الکتریکی را به بیش از ۳۰ کیلوولت بر سانتی‌متر برساند. در شکاف‌های بزرگتر، شدت شکست ضعیفتر است و شاید یک کیلوولت در هر سانتیمتر باشد.<ref name=hv_eng dir=ltr>{{Citation |first=M.S. |last=Naidu |first2=V. |last2=Kamataru |title=High Voltage Engineering |publisher=Tata McGraw-Hill |page=2 |year=1982 |isbn=0-07-451786-4}}</ref> مهم‌ترین رویداد قابل مشاهدهمشاهدهٴ آن، [[آذرخش]] است، وکه زمانی اتفاق می‌افتد که با افزایش ستون‌های هوا، بارها در ابرها جدا شوند و میدان الکتریکی هوا را افزایش دهند تا از حد تحمل، تجاوز کند. ولتاژ آذرخش‌های بزرگ می‌تواند به بزرگی ۱۰۰ مگاولت باشد و انرژی به بزرگی ۲۵۰کیلووات ساعت را تخلیه کند.<ref dir=ltr>{{Citation |first=M.S. |last=Naidu |first2=V. |last2=Kamataru |title=High Voltage Engineering |publisher=Tata McGraw-Hill |pages=201–02 |year=1982 |isbn=0-07-451786-4}}</ref>

مفهوم پتانسیل الکتریکی با میدان الکتریکی ارتباط نزدیکی دارد. به بار کوچکی که در یک میدان الکتریکی قرار می‌گیرد، نیرو وارد می‌شود، و برای حرکت دادن این بار بر خلاف نیرویی که بدان وارد می‌شود، به [[کار (فیزیک)|کار]] نیازمندیم. پتانسیل الکتریکی در هر نقطه میزان انرژی لازم برای آوردن بار آزمون از فاصله [[بی‌نهایت (ریاضی)|بی‌نهایت]] دور به آن نقطه است. واحد آن اغلب [[ولت]] است، و یک ولت، پتانسیلی است که با استفاده از یک [[ژول]] کار می‌توان یک بار یک [[کولن]]ی را از فاصله بینهایتبی‌نهایت دوردور، به یک نقطه آورد.<ref name=uniphysics/>{{Rp|494–98}} توصیح پتانسیل اگرچه رسمی است، کاربرد چندان ندارد،ندارد و مفهوم کاربردی‌تر، [[ولتاژ|اختلاف پتانسیل الکتریکی]] است که به انرژی لازم برای به حرکت درآوردن بار آزمون بین دو نقطه مشخص گفته می‌شود. میدان الکتریکی درای ویژگی مخصوصی است و آن اینست که [[نیروی پایستار|پایستار]] است،است؛ ویه این بدان معناستمعنا که به مسیری که بار می‌پیماید وابسته نیست:نیست، چون تمام مسیرهای بین دو نقطه به انرژی یکسانی نیاز دارند،دارند و بنابرین یک مقدار منحصر به فرد برای اختلاف پتانسیل مورد نیاز است.<ref name=uniphysics/>{{Rp|494–98}} یکای ولت به عنوان واحد اندازه‌گیری و توصیف اختلاف پتانسیل الکتریکی یا [[ولتاژ]] شناخته می‌شود.

برای اهداف کاربردی، بهتر است نقطه‌ای را به عنوانبه‌عنوان مبدأ انتخاب کنیمگردد و پتانسیل را با توجه به آن اندازه‌گیری و مقایسه کنیمشود. مبدأ خیلی مناسب می‌تواند [[زمین الکتریکی]] باشد، که فرض بر اینست که پتانسیلش در تمام نقاط پتانسیلش یکسان است. نام نقطه مبدأمبدأ، [[زمین الکتریکی]] است. زمین به عنوانبه‌عنوان منبع بی پایانبی‌پایان از بارهای معادل مثبت و منفی فرض می‌شود و به همین دلیلدلیل، از نظر الکتریکی خنثی و غیرقابل باردار شدن است.<ref dir=ltr>{{Citation |first=Raymond A. |last=Serway |title=Serway's College Physics |publisher=Thomson Brooks |page=500 |year=2006 |isbn=0-534-99724-4}}</ref>

پتانسیل الکتریکی یک [[کمیت اسکالر]] است، به همیناست. دلیلبه‌همین‌دلیل، تنها اندازه دارد و فاقد جهت می‌باشدندارد. پتانسیل الکتریکیالکتریکی، مشابه [[بلندی]] است: همان‌طور که یک جسمجسمِ رهارهاشده شده به دلیلبه‌دلیل اختلاف ارتفاع بهارتفاع، وسیلهبه‌وسیلهٴ میدان جاذبه به سمت پایین سقوط می‌کند، بار الکتریکی نیز به دلیلبه‌دلیل اختلاف پتانسیل ناشی از میدان مغناطیسی سقوط می‌کند.<ref dir=ltr>{{Citation |first=Sue |last=Saeli |title=Using Gravitational Analogies To Introduce Elementary Electrical Field Theory Concepts |url=http://physicsed.buffalostate.edu/pubs/PHY690/Saeli2004GEModels/older/ElectricAnalogies1Nov.doc |accessdate=2007-12-09 |bibcode=2007PhTea..45..104S |last2=MacIsaac |first2=Dan |volume=45 |year=2007 |pages=104 |journal=The Physics Teacher |doi=10.1119/1.2432088 |issue=2}}</ref> همان‌طور که در نقشه‌های موجود، [[خط کانتوری|خطوط کانتوری]] نقاط هم ارتفاع را نشان می‌دهند، می‌توان مجموعه خطوطی که نقاط هم پتانسیلهم‌پتانسیل را نشان می‌دهند (با نام [[خط هم‌پتانسیل|خطوط هم‌پتانسیل]] شناخته می‌شود)، پیرامون یک جسم دارای بار الکترومغناطیسی رسم کرد. خطوط هم‌پتانسیل با تمام خطوط نیرو [[زاویه قائمقائمه|زاویهٴ قائمه]] می‌سازند. همچنین آن‌ها با سطح [[رسانای الکتریکی]] موازی اند،موازی‌اند، در غیر این صورتصورت، نیرویی تولید می‌شود که حاملان بار را به سطح پتانسیل می‌برد.

میدان الکتریکی به‌طور رسمی به عنوانبه‌عنوان نیرونیروی وارده به واحد بار تعریف می‌شود،می‌شود. اما مفهوم پتانسیل اجازهاجازهٴ استفاده از تعریفی مفیدتر و معادل را می‌دهد: میدان الکتریکی [[شیو (حسابان)|گرادیان]] مکانی پتانسیل الکتریکیست. واحدش اغلب ولت بر متر بوده،است و جهت بردار میدان، بزرگترین شیب پتانسیل و جایی است که خطوط هم‌پتانسیل در نزدیکترین حالت قرار دارند.<ref name=Duffin/>{{Rp|60}}