Sähkökenttä

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Sähköisen dipolin sähkökenttäviivat, kentän suunta on positiivisesta varauksesta kohti negatiivista varausta.

Fysiikassa sähkökenttä on sähkövarauksen ympärille syntyvä vektorikenttä, jonka voimakkuuden dimensio SI-järjestelmän yksiköin ilmaistuna on N C−1, tai vastaavasti V m−1. Kenttäviivat ovat jatkuvia kaikkialla muualla paitsi kohdatessaan sähkövarauksen (punktioitu kenttä), viivat eivät koskan leikkaa toisiaan ja niiden suunta on positiivisesta varauksesta negatiiviseen varaukseen (sopimus). [1] Jos sähködipoli eli varauspari (+ ja −) ovat erittäin lähellä toisiaan, makrotasossa tarkasteltaessa niiden kentät kumoavat toisensa ja kenttä näyttää nollalta. Näin esim. atomi tai kondensaattori näyttävät sähkökentän suhteen neutraaleilta, vaikka niissä on sekä negatiivisia että positiivisia varauksia. Sähkökentän idean esitteli alunperin Michael Faraday.

Määritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Coulombin lain mukaan kahden pistemäisen sähkövarauksen välillä on voima


\mathbf{F} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0}\frac{q_1 q_2}{r^2}\mathbf{\hat r}
, jossa
  • \scriptstyle \epsilon_0 on fyysinen vakio, tyhjiön permittiivisyys,
  • \scriptstyle q_1 ja \scriptstyle q_2 ovat kohteiden sähkövaraukset,
  • \scriptstyle r on kohteiden välinen etäisyys,
  • \scriptstyle \mathbf{\hat r} on yksikkövektori, joka osoittaa varauksesta toiseen.

Kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä voiman yksikkö on newton, varauksen coulombi ja etäisyyden metri, joten \scriptstyle\epsilon_0:n yksikkö on C²/Nm².

Jos oletetaan, että toinen näistä varauksissa pysyy paikallaan sekä muuttumattomana ja toista käytetään testivarauksena, Coulombin lain mukaan tähän testivaraukseen kohdistuva voima on suoraan verrannollinen testivarauksen suuruuteen. Tämä verrannollisuuskerroin on määritelmän mukaisesti toisen sähkövarauksen aiheuttaman sähkökentän voimakkuus testivarauksen kohdalla, joten


\mathbf{F} = q\mathbf{E},

\mathbf{E} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0}\frac{Q}{r^2}\mathbf{\hat r}.

Tämä yhtälö pitää paikkansa ainoastaan silloin kun varaukset eivät liiku. Edellisestä nähdään myös, että pistemäisen sähkövarauksen aiheuttaman kentän suuruus jossain pisteessä on käänteisesti verrannollinen etäisyyden neliöön.

Sähkökenttä johteessa ja eristeessä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähkökenttä johteen sisällä on aina nolla. Tämä johtuu siitä, että ulkoisessa sähkökentässä olevan johteen vapaat elektronit indusoituessaan asettautuvat niin, että niiden aiheuttama oma sähkökenttä on yhtä suuri, mutta vastakkaissuuntainen kuin ulkoinen kenttä. Kokonaissähkökenttä on siis elektronien aiheuttaman ja ulkoisen sähkökentän summa, joka on nolla.[2]

Toisin kuin johteessa, eristeessä ei ole vapaita varauksenkuljettajia, koska siinä olevat elektronit ovat sidoittuina atomeihinsa. Elektronit eivät siis pääse siirtymään niin, että ne kasaantuisivat kokonaan eristeen toiselle reunalle luodakseen oman ulkoista sähkökenttää vastakkaisen sähkökentän. Täten on mahdollista, että aineeseen syntyy nollasta poikkeava sähkökenttä. Eräs mahdollisuus on myös se, että johteessa on katkos.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. I. S. Grant & W. R. Phillips: ”1.2”, Electromagnetism, 2. painos. Wiley, 2003. ISBN 0-471-92712-0. (englanniksi)
  2. David J. Griffths: ”2.5.1”, Introduction to Electrodynamics, 3. painos, s. 97. Prentice Hall, 1999. ISBN 0-13-805326-X. (englanniksi)