Дефиниция за електрично поле

Ето един въпрос. Ако имаш два положителни заряда, знаеш, че те ще се отблъснат. Ако поставя тези едно до друго, този син цвят ще отблъсне зеления заряд и обратно, но как точно работи това? Имам предвид, между тези заряди няма нищо. Как този син заряд отблъсна този зелен заряд, когато дори не го докосва? Това е странно. Ако искам да бутна нещо в стаята си, трябва да отида до това нещо и физически да го докосна, а после да го блъсна. И все пак този син заряд изглежда прилага сила върху зеления заряд само с празно място между тях. Тук няма нишки. Какъв е механизмът? Физиците били притеснени от това. Те се чудели как така могат да изчислят точно колко сила ще има върху всеки заряд, но не знаят как това работи. Не изглежда логично, че един заряд може да бутне друг заряд през потенциално огромни части от Вселената. Това може да е огромно разстояние и все пак някак си този заряд тук знае, че тук има заряд, който го бута. Как е възможно това? Това не е ново за електричните сили. Това било проблем, когато Нютон открил силата на гравитацията. Когато Нютон измислил как да изчисли силата на гравитацията, той показал, че можем да изчислим с колко Земята придърпва Луната и хората си казали: "Това е чудесно, понеже сега можем да изчислим и да предвидим орбитите на планетите и кометите." Но хората казали: "Хей, Нютон, това е много хубаво, но как Земята придърпва Луната, когато няма нищо между тях?" И Нютон казал: "Не знам точно защо работи това, но знам, че изчисленията ми позволяват точно да прогнозирам това." И след времето на Нютон това е било в ума на физиците за стотици години, докато стигаме до електричната сила. Хората се чудели как тази сила, която е на разстояние, бива пренесена. Дали имало нещо между тях, което позволявало на Земята да дърпа Луната? Накрая, когато хората разглеждали този електрически феномен, те решили, че е време да отговорим как двата обекта прилагат сили един върху друг през потенциално огромни разстояния. Човекът, който измислил обяснението, бил Майкъл Фарадей. Това е Майкъл Фарадей. Той направил проучванията си през 18-ти век и е приет за един от най-важните физици/химици изобщо. Фарадей казал: "Ето как работи това." Този положителен заряд тук – забрави за другия положителен, забрави за този зелен положителен за малко. Нека се фокусираме върху синия. Той казал: "Ето какво прави синият заряд." Той казал, че синият заряд създава електрично поле около себе си и ще означим това електрично поле с главно Е. След като това е вектор, ще поставим малка векторна стрелка отгоре. Фарадей казал, че този положителен заряд създава електрично поле около себе си постоянно, без значение дали наоколо има други заряди или не. Електричното поле става по-слабо и по-слабо, колкото повече се отдалечаваш. Близо до заряда имаш голямо електрично поле, а колкото по-надалеч отиваш, толкова по-слабо е електричното поле. Това е като паяжина, ограждаща един паяк, освен че паякът е като заряда, а мрежата е като електричното поле. Трябва да внимаваш. Хората виждат това и си казват: "О, това е точно като електрична сила, нали?" Но това не е сила. Тези вектори тук не са сили. Тук хората се объркват. Те изглеждат като сили, понеже хората си казват, че сме използвали стрелки, за да чертаем сили преди. И се чудят дали това не са просто сили. Но те не са. Това е вектор – представяме ги със стрелки. Но електричното поле не е същото нещо като електричната сила. Трябва да помниш това. Те не са едно и също. Те са много свързани, но не са едно и също. Електричната сила е F. Представяме я с F и може би малко 'е' за електрична сила и след като е вектор може би можем да го начертаем с малък знак за вектор. Но електричната сила не е същото нещо като електричното поле Е. Как са свързани? Ето как работи. Въпреки че електричното поле не е сила, то може да приложи електрична сила върху други заряди. Както е в момента, ако имахме само един положителен заряд, който създава своето електрично поле в областта около него, няма да има електрична сила. Трябват ти два заряда, за да имаш електрична сила. Този заряд няма да приложи сила върху себе си. Този син заряд – и за да ни е ясно всичко това, нека дадем име на това. Ще наречем това Q1. Този заряд Q1 създава електрично поле, но това електрично поле, ще го нарека Е1, понеже е създадено от Q1. Това Е1 не прилага сила върху Q1. Това ще приложи сила върху всички други заряди, които се промъкнат в тази област. Това електрично поле, което бива създадено от Q1, просто стои и си чака, точно както една паяжина чака около паяка, тук да се вмъкне друг заряд. Тогава ще приложи сила върху него. Нека поставим друг заряд тук. Да кажем, че този положителен заряд се е вмъкнал в тази област поради някаква неизвестна причина. Вмъква се в тази област, върху този заряд ще има електрична сила. Това е историята, която Майкъл Фарадей ни е разказал и ни е накарала да се почувстваме по-добре за това как работи тази сила от разстояние. Майкъл Фарадей казал: "Ето какво всъщност се случва. Този положителен заряд Q1 създава електрично поле около себе си, включително в тази точка тук, където е Q2." Ще наречем това заряд Q2. Тук около тази точка вече имаше електрично поле, което беше създадено от Q1. Когато това Q2 навлезе в тази област, Q2 просто трябва да се огледа в непосредствено заобикалящата го среда. В тази точка тук вижда това електрично поле. Усеща го и знае, че това е електрично поле, което сочи надясно. И знае, че това ще създаде сила върху него надясно. То създава електрична сила. Електричното поле не е електрична сила, но ще причини електрична сила върху заряда, който навлиза в него. Може да се чудиш как това е по-добре. Ами, то прави нещата локални. Физиците обичат, когато нещата остават локални. Под локални имаме предвид – добре, този заряд Q2, за да открие какво трябва да направи, просто трябва да знае за нещата и пространството в непосредствено заобикалящата го среда. Просто преценява електричното поле в тази точка тук и си казва: "Добре, има електрично поле, сочещо насам. Ще изпитам електрична сила в тази посока." С други думи, не е нужно да знае... Не е нужно да си казва, че има положителен заряд върху тази друга страна на галактиката и че това нещо прилага сила върху него. Не, то просто знае, че тук има електрично поле и това е всичко, което му е необходимо, за да разбере, че върху него има електрична сила. Така Фарадей отговорил на въпроса как един обект прилага сила върху друг обект, когато между тях няма нищо. Той казал, че има междинна среда – че този първи заряд създава поле навсякъде – включително в тази точка, и това поле създава сила върху този заряд, който навлиза в тази област. Така че, да, концептуално можеш да помислиш за това по този начин. Този заряд Q1 създава електричното поле Е1. Това електрично поле в тази област прилага сила върху този заряд Q2 и по този начин Q2 знае, че трябва да изпита сила, което запазва нещата локални. Това Q2 просто трябва да знае за полето точно в негова близост, за да разбере какво да направи. Не е нужно да знае за неща от другата страна на Вселената. Но в този момент може да се оплачеш. Може да си кажеш: "Чакай малко. Не създава ли Q2 свое електрично поле? Няма ли Q2 също да създаде електрично поле навсякъде около себе си?" Ще наречем това Е2, след като е създадено от заряд 2. Не създава ли и то свое собствено електрично поле, точно както всички заряди? Да, създава. Всъщност то ще създаде електрично поле ето тук, до Q1, и по този начин Q1 знае, че трябва да изпита силата, която изпитва, в посоката, в която я изпитва. Ето така зарядите комуникират помежду си – можеш да разсъждаваш по този начин. Начинът, по който зарядите комуникират помежду си, е чрез електричното поле. Един заряд създава електрично поле до другия заряд. Този заряд изпитва силата. Другият заряд създава поле до първия заряд. Този първи заряд изпитва силата. Концептуално електричното поле работи по този начин и така стават нещата. В този момент може би не те впечатлих. Може да си кажеш: "Не създаваме ли една история, просто за да се чувстваме по-добре? Това не е ли само някаква измишльотина, която прави така, че да не се чувстваме толкова неловко, когато говорим за неща, прилагащи сила едно върху друго от разстояние? Има ли някакво преимущество от това?" И, да, има едно голямо преимущество. Математически, по отношение на физиката, говоренето за електрично поле прави описването на физиката много по-лесно. Всъщност прави така, че дори не е нужно да знаеш за заряда, който създава това поле. Ако имаш начин да опознаеш полето, дори ако не знаеш какъв заряд създава това поле, можеш да намериш каква ще е силата върху всеки заряд в това поле, без дори да знаеш заряда, който е създал това поле, а това се случва доста често. Много е полезно да знаем електричното поле. То ти позволява да определиш електричната сила върху един заряд, дори ако не знаеш какъв заряд прилага тази сила. До този момент се опитвам да обясня защо искаме тази идея за електричното поле, защо физиците биха измислили тази идея. Но не те виня, ако в този момент си казваш, че все още не знаеш какво е електричното поле, а знаеш какво не е. Електричното поле не е електрична сила, но какво точно е електричното поле? Нека дам на електричното поле подходящо определение. Електричното поле Е в една точка от пространството е определено като количеството електрична сила на заряд, приложена в тази точка в пространството. Това е електричното поле. То е просто силата върху заряда. Начинът физиците да мислят за това е – представи си, че слагаме един тестов заряд тук. Наричаме това тестов заряд. Искаме да си представим, че този заряд е много малък, така че да не преобладава. Другият заряд създава това поле. Иначе ако поставиш някакъв огромен заряд тук, всички други заряди ще се разпръснат и това ще промени цялата ситуация. Да кажем, че поставим един много малък тестов заряд тук. Ако искам да знам какво е електричното поле в една точка в пространството, просто ще поставя моя тестов заряд ето тук, ще измеря количеството електрична сила върху този тестов заряд и после ще разделя на това колко заряд е имало тук в този тестов заряд. Тоест какъв е бил зарядът на този тестов заряд. Ще нарека това заряд 2. Ако взема силата върху заряд 2 и я разделя на заряд 2, това ще е стойността на електричното поле в тази точка в пространството. Така определяме електричното поле. Определението за електрично поле е количеството сила на един заряд. С други думи, нека поставим някои числа тук. Да кажем, че Q2 беше 2 кулона. Това е огромно количество заряд. Това е нереалистичен пример, но ще ни позволи да работим с по-прилежни числа и концептуално е същото нещо. +2 кулона са били поставени тук. Това е стойността на Q2. Да кажем, че когато измерим силата върху Q2, получаваме 10 нютона сила. В този случай просто казваме: "Добре, тогава електричното поле в тази област ще е 10 нютона сила за 2 кулона заряд и получаваме електрично поле от 5." А мерните единици са нютона за кулон. И това е логично, понеже електричното поле ти казва колко нютона сила ще получиш за един кулон. Ако поставиш повече кулони в тази точка от пространството, тук ще има повече сила. Това число ти казва броя нютони, които ще получиш за един кулон. Тъй като имахме 2 кулона в тази точка от пространството и имаш 5 нютона за кулон, силата беше 10 нютона. Това число 5 нютона за кулон е важно, понеже е едно и също за всеки заряд, който поставиш тук. Ето защо електричното поле е полезно. В тази точка от пространството тук, ако електричното поле е 5, то е 5 нютона за кулон, без значение какъв заряд поставиш тук. Ако поставя заряд от 4 кулона в тази точка, тъй като има 5 нютона за всеки кулон, тук ще има 20 нютона сила, понеже има 5 нютона за всеки кулон. Ако има 4 кулона, ще има 5 по 4 нютона, което е 20 нютона. Можеш да си представиш, че можем да пренаредим тази формула. Можеш да умножиш тези страни по Q и ще получиш, че електричната сила върху един заряд е равна на стойността на този заряд в тази точка от пространството, умножена по стойността на електричното поле в тази точка от пространството. Но е важно да отбележим, че това електрично поле не е създадено от този заряд Q2. Това е било създадено от някакъв друг заряд или група заряди. Помни, този заряд Q1 създава това електрично поле Е1, а това електрично поле причинява електричната сила върху Q2. Q2 не е създал електричното поле Е1, с което си е взаимодействал. Q1 е създал това електрично поле Е1. Хората ги объркват. Те виждат тази формула и започват да мислят, че може би Q2 създава това електрично поле. Но не е така. Това електрично поле създава електричната сила върху този заряд, а не обратното. Това Q2 не създава това поле. Това поле създава силата върху този заряд. Тоест тази формула е изключително полезна. Ако знаеш електричното поле в точка от пространството, можеш да намериш електричната сила върху всеки заряд в тази точка, като просто умножиш двете стойности, за да получиш електричната сила. Сега можеш да видиш, че електричното поле не е електричната сила. То е количеството електрична сила на един заряд в една точка в пространството. Много близко по смисъл, но различно. Достатъчно различно, че да трябва да разграничиш тези идеи. Електричното поле не е електрична сила и обратно. Електричната сила не е електрично поле. Електричното поле е количеството електрична сила върху един заряд, а електричната сила върху един заряд в някаква точка в пространството е количеството заряд по електричното поле в тази точка от пространството. Да обобщим, електричните заряди създават електрични полета. Тези електрични полета взаимодействат с и причиняват сили върху зарядите, които съществуват в тази област. Стойността на електричното поле представлява броят нютони сила за един кулон в тази точка от пространството. Що се отнася до формулата, електричното поле е количеството сила за заряд или с други думи, количеството електрична сила е зарядът по електричното поле в тази точка в пространството.