Pole elektrostatyczne – jak działa i czym się charakteryzuje?

Pole elektrostatyczne, to inaczej pole elektryczne. Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego w istocie ładunki się przyciągają lub odpychają? Znając prawo Coulomba, możemy policzyć, z jaką siłą to się dzieje. Nie daje ono nam jednak odpowiedzi na pytanie, skąd dane ładunki wiedzą o swoim istnieniu. Michael Faraday w XIX wieku opracował ideę pola elektrycznego. Każda naładowana cząsteczka miałaby je wokół siebie wytwarzać. Możemy je wyrazić jako stosunek siły elektrostatycznej działającej na ładunek do jego wartości, co opisuje bardzo prosty wzór: E = F/q, gdzie E oznacza natężenie pola elektrostatycznego. Jednostką tej wielkości fizycznej jest [N/C], czyli niuton na kulomb. Jaką postać w przestrzeni ma to pole? Faraday opisał je jako realnie istniejące linie. Dziś wiemy, że są one tylko hipotetyczne, niemniej jednak dalej są wygodnym sposobem jego przedstawiania.

Pole elektrostatyczne – charakterystyka

Linie pola elektrycznego są zawsze skierowane w tym samym kierunku, od ładunku dodatniego do ujemnego. W zależności czy mamy do czynienia z pojedynczą ładunkiem punktowym, czy kilkoma ładunkami w określonej konfiguracji, linie pola będą przebiegać inaczej. Zacznijmy od pierwszego przypadku. W takiej sytuacji linie pola będą się rozchodzić promieniście od danego ładunku. A jak policzyć jego wartość? Wszakże jak wiadomo z prawa Coulomba, siłę elektrostatyczną obliczamy między dwoma ładunkami. Z pomocą przyjdzie nam ładunek próbny. Jest on na tyle niewielki, że jego obecność nie wpłynie na wartość pola elektrostatycznego. Po umieszczeniu go w wybranej przez nas odległości będziemy mogli policzyć wartość siły elektrostatycznej, a co za tym idzie, wartość pola.

Jeśli badamy dipol, czyli układ dwóch ładunków różniących się tylko znakiem, pole elektrostatyczne ulega zniekształceniu. Skrzywienie to jest skutkiem właśnie obecności drugiego naładowanego ciała. Tym samym pole ma większą gęstość (więc i natężenie) bliżej ładunków. Z kolei co w sytuacji, gdy dysponujemy naładowaną płytką? W takiej sytuacji, pole będzie jednorodne i o stałym natężeniu. Co więcej, jeśli płyta będzie wystarczająco duża, to natężenie nie zmieni się wraz z odległością od niej. Dlaczego? Przecież ze wzoru wynika inaczej. To prawda, ale kluczem do rozwiązania tej zagadki jest rozmiar płyty. Pole badamy w niewielkiej odległości od naładowanego obiektu, zatem jej zmiana nie będzie miała znaczenia w porównaniu z tym, jak duży obiekt badamy. Oczywiście, nie są to jedyne przypadki, w których możemy badać pole elektrostatyczne. Niemniej jednak, wyrażenie jego natężenia w bardziej skomplikowanych przypadkach wymaga odpowiednio rozbudowanego aparatu matematycznego.

Pole elektrostatyczne i ładunek w nim umieszczony

Zastanówmy się najpierw, jak zachowa się naładowana cząsteczka w polu elektrycznym. Po pierwsze, jak się można domyślić, będzie na nią działała jakaś siła, konkretnie elektrostatyczna. Jej wartość będzie równa iloczynowi ładunku cząstki oraz natężenia pola elektrostatycznego, w którym się znalazła. Wiedza na ten temat znalazła zastosowanie zarówno badawcze, jak i użytkowe. Do czego się zatem przydała naukowcom? Umożliwiło to wyznaczenie wartości ładunku elementarnego. Przypomnijmy, jest to ładunek, który jak sama nazwa mówi, niesie ze sobą cząstka elementarna – proton lub elektron. Obecnie wiemy, że jego wartość wynosi ok. 1,602 * 10-19 C. Pierwszy dość dokładny pomiar został wykonany w 1910 r. przez późniejszego noblistę Roberta Millikana. W tym celu, do komory badawczej, która była połączona z obwodem elektrycznym, wpuszczał kropelki oleju. Po drodze mogły się naelektryzować dodatnio lub ujemnie.

Jeśli klucz w obwodzie był otwarty, to w komorze było obecne pole elektryczne. Załóżmy, że wpuszczamy do środka ujemnie naładowaną kropelkę, a klucz jest otwarty. Wtedy w takim urządzeniu powstaje pole elektrostatyczne skierowane w dół, które działa na każdą cząstkę obecną w komorze. Te naładowane ujemnie zaczną się poruszać w górę. Porównując ruch molekuł przy włączonym i wyłączonym zasilaniu, po pierwsze stwierdził, że ładunek elektryczny jest skwantowany. Po drugie, wartość każdego z nich była wielokrotnością ładunku elementarnego, a po obliczeniach udało się wyznaczyć jego wartość. Ciekawostką jest, że wtedy określona jego wartość różniła się jedynie o 0,6% od obecnie uznawanej.

Wpływ pola elektrostatycznego na działanie drukarki atramentowej

Czy wiesz, jak działa drukarka atramentowa? Ona również może umieszczać literki na kartce właśnie dzięki polu elektrycznemu. Kiedy wydajemy jej polecenie drukowania, niewielkie kropelki tuszu są wyrzucane z generatora i przechodzą przez jednostkę ładującą, gdzie zyskują ładunek ujemny. To, jaka konkretnie będzie jego wartość, zależy od sygnału wysłanego z komputera. A po co mają one mieć różne ładunki? To bardzo proste, dlatego, że od niego zależy, w którym miejscu na papierze znajdzie się tusz. Następnie, naładowany barwnik przechodzi przez naelektryzowane płytki, których zadaniem jest odpowiednie odchylenie jego kropli. A jak niewielkie muszą to być drobiny, żeby ta technologia działała? Obecnie stosuje się kropelki o objętości rzędu od 5 do 13 pikolitrów. Aby wydrukować jeden znak potrzeba zatem aż stu takich cząstek! Mam nadzieję, że teraz już wiesz czym jest pole elektrostatyczne.