Definition af Elektrisk felt

Her er et spørgsmål. Hvis vi har to positive ladninger, så ved vi at de vil frastøde hinanden. Hvis vi anbringer dem ved siden af hinanden, den blå ladning vil frastøde den grønne ladning og omvendt. Men hvorfor gør de det? Der er ikke noget imellem disse ladninger. Hvordan kan den blå ladning skubbe til den grønne ladning, når den ikke rører ved den? Det er da lidt mærkeligt ikke? Hvis jeg vil skubbe til noget i mit værelse, så skal jeg gå hen til den ting og fysisk røre ved den og så give den et skub. Tilsyneladende kan denne blå ladning virke på den grønne ladning med en kraft med tomhed i mellem dem. Der er ingen snore her. Hvordan kan det være? Fysikere var en smule flove og bekymrede ved dette. Ok, vi kan præcist beregne, hvor meget kraft, der vil være på hver ladning, men vi ved faktisk ikke, hvordan det virker. Det giver ikke mening, at en ladning kan skubbe til en anden ladning her over en potentiel kæmpe afstand i universet. Dette kunne være en enorm afstand, men alligevel så ved denne ladning her at der er en ladning herover, der skubber på den. Hvordan er det muligt? Dette er ikke et nyt problem for elektriske kræfter. Dette var også et problem, da Newton beskrev gravitationskraften. Da Newton fandt ud af, hvordan man beregner tyngekraften, så kunne vi udregne, hvor meget Jorden hiver i månen. Folk sagde, det er rigtigt smart, da vi nu kan udregne og forudsige planternes og kometernes kredsløb. Folk sagde "Flot Newton, det er super smart, men hvordan hiver Jorden i Månen når der ikke er noget i mellem dem?" Newton måtte indrømme, at han ikke viste, hvorfor det virker. Men jeg kan forudsige kraften med matematik. Siden Newton, er det noget der har ligget i baghovedet på fysikere. I de hundreder af år der ledte frem til den elektriske kraft, så sagde man, "Hvordan kan denne kraft virke på afstand?" Er der noget midt i mellem, der tillader Jorden at hive i Månen? Da man begyndte at se på dette elektriske fænomen, så besluttede man at nu var det på tide, at finde ud af, hvordan to objekter kan påvirke hinanden med en kraft hen over potentielle store afstande i rummet? Den person, der kom frem til en forklaring, var Michael Faraday. Det her er Michael Faraday. Han var videnskabsmand i 1800-tallet og er generelt set som en af de mest vigtige fysikere og kemikere nogensinde. Faraday sagde: "ok, det virker således Lad os se på positive ladning herover og glemme den grønne ladning et øjeblik. Lad os fokusere på den blå ladning. Den blå ladning danner et elektrisk felt omkring sig og vi forkorter dette elektriske felt som E. Da det er en vektor, så laver vi en lille vektor pil hen over det. Faraday sagde, at denne positive ladning danner et elektrisk felt overalt omkring sig hele tiden, uanset om der er en anden ladning tilstede eller ej. Det elektriske felt bliver svagere og svagere jo længere væk du går. Tæt på ladningen har du en et kraftigt elektrisk felt og jo længere væk du går jo svagere bliver det elektriske felt. Det er lidt som en et spindelvæv omkring en edderkop, hvor edderkoppen er ladningen og spindelvævet er det elektriske felt. Men du skal være en smule forsigtig. Folk ser dette og de tænker, disse er ligesom elektriske kræfter, men de er ikke kræfter. Disse vektorer her er ikke kræfter. Det gør folk lidt forvirret. De ligner kræfter, da vi også bruger pile, når vi tegner kræfter. "Er disse ikke kræfter?" Det er de IKKE. De er vektorer, som vi repræsenterer med pile. Det elektriske felt er ikke det samme som en elektrisk kraft. Det skal du holde styr på. De er ikke det samme. De hænger sammen, men de er ikke det samme. Vi skriver elektrisk kraft med et F, og tilføjer måske et e for elektrisk kraft. Da det er en vektor, så tegner vi den en vektor pil. Men elektrisk kraft er IKKE det samme som elektrisk felt E. Hvordan hænger de sammen? Jo det virker sådan her: Selvom det elektriske felt ikke er en kraft, så kan det forårsage en elektrisk kraft på andre ladninger. Så, hvis vi kun har en positiv ladning, så laver den et elektrisk felt i området omkring sig selv. Der ingen elektrisk kraft. Der skal være to ladninger, for at der kan være en elektrisk kraft. Ladningen kan ikke virke på sig selv med en kraft. Denne blå ladning, som vi kan kalde Q 1, producerer et elektrisk felt, som jeg kalder E 1, fordi det er dannet af Q 1. E 1 virker ikke på Q 1 med en kraft. Det vil derimod virke på andre ladninger, der bevæger sig ind i dets område. Det elektriske felt, der er dannet af Q 1, sidder blot her og venter tålmodigt på, ligesom spindelvævet rundt om edderkoppen, at en anden ladning kommer forbi, og så virke på den med en kraft. Lad os lave en ladning mere. Lad os sige, at denne positive ladning har bevæget sig ind i dette område. Hvis den bevæger sig ind i dette omåde, så vil der være en elektrisk kraft på denne ladning. Her er den historie, som Michael Faraday fortalte os, så vi fik det bedre med hvordan kraft virker på afstand. Michael Faraday sagde, "Her er hvad der sker: " "Denne positive ladning Q 1 danner et elektrisk felt hele vejen omkring sig, også i det punkt, hvor Q 2 er. Vi kalder denne ladning for Q 2. Der var allerede et elektrisk felt i dette punkt dannet af Q 1. Nu hvor Q 2 bevæger sig i dette område så skal Q 2 blot se sig omkring i sine omgivelser og i det punkt her ser den det elektriske felt. Den fornemmer det og ved, at et elektrisk felt der peger til højre vil virke på mig med en kraft mod højre. Så det vil forårsage en elektrisk kraft. Det elektriske felt er ikke en elektrisk kraft men det vil forårsage en elektrisk kraft på en ladning der bevæger sig ind i det. Nu tænker du måske, "hvorfor er dette bedre?" Fordi det gør det lokalt. Fysikere kan lide det, når tingene er, hvad vi kalder, lokale. Hvad mener vi med det? Jo, ladning Q 2, når den skal finde ud af, hvad den skal gøre, behøver jo kun at kende til de ting i området umiddelbart omkring det. Så den tester det elektriske felt i dette punkt her og siger: ah, der er et elektrisk felt, der peger i denne retning, så jeg kan mærke en elektrisk kraft i den retning. Den behøver ikke at vide at der er en positiv ladning på den anden side af galaksen, som vil virke på mig med en kraft. Niks, den skal blot vide, at der et elektrisk felt lige her. Det er alt hvad jeg behøver at vide for kende den elektriske kraft jeg påvirkes af. Det er næsten sådan Faraday forklarede, hvordan et objekt kan virke med en kraft på et andet objekt, når der ingenting er mellem dem. Han sagde, at der er en mægler, at den første ladning danner et felt alle vegne inklusiv i dette punkt og at dette felt virker med en kraft på den ladning, der bevæger sig ind i området. Du skal altså se på det således: Ladningen Q 1 danner det elektriske felt E 1. Det elektriske felt i dette område forårsager en kraft på ladning Q 2. Q 2 ved hvad kraft den skal føle ved at holde det lokalt. Q 2 skal kun kende feltet i nærheden for at finde ud af, hvad den skal gøre. Den behøver ikke kende til forholdene på den anden side af universet. Nu kan du så indvende: "lige et øjeblik!" Danner Q 2 ikke også sit eget elektriske felt omkring sig selv? Vi kan kalde det E 2, da det er dannet af ladning 2. Danner den sit eget elektriske felt lige som alle andre ladninger? Jo, det gør den. Den vil danne et elektrisk felt her ved siden af Q 1 og det er grunden til at Q 1 ved den skal mærke den kraft den mærker i den retning som den mærker den. Det er sådan de to ladninger snakker med hinanden. Man kan tænke på det sådan: ladningerne snakker med hinanden med i det elektriske felt. Den ene ladning laver et elektrisk felt over ved den anden ladning, der så mærker kraften. Den anden ladning laver et felt over ved den første ladning, der mærker kraften. Dette er principet for, hvordan elektriske felter virker og hvad de gør. Nu er du måske ikke imponeret. Du tænker: "jamen kommer vi blot med en forklaring for at få det bedre?" Er det blot et eventyr, vi fortæller os selv, så vi ikke føler os så akavede, når vi snakker om krafter, der virker på hinanden over en afstand? Er der en fordel ved at tænke således? Ja, der er. En kæmpe fordel. Matematisk set ved at bruge et elektrisk felt kan fysikken beskrives meget nemmere. Faktisk behøver du nu slet ikke at vide noget om ladningen, der laver feltet. Hvis du har en måde at kende feltet på, selv når du ikke ved, hvad ladning der danner feltet, så kan du forudsige kraften på enhver ladning i feltet. Altså uden at kende den ladning, der danner feltet. Og dette sker tit. Så at kende det elektriske felt er yderst nyttigt. Da du dermed kan bestemme den elektriske kraft på en ladning selvom du ikke ved hvilken ladning, der udøver kraften. Jeg har indtil nu forsøgt at forklare hvorfor vi bruger dette begreb om et elektrisk felt, hvorfor fysikere er kommet frem til denne ide. Jeg vil ikke bebrejde dig, hvis du tænker: "jeg forstår stadig ikke hvad et elektrisk felt er." "Jeg ved hvad det ikke er." "Et elektrisk felt er ikke en elektrisk kraft, men hvad er det så?" Lad mig for søge at definere et elektrisk felt ordentligt. Det elektriske felt E i et punkt i rummet er defineret som den mængde af elektrisk kraft per ladning, der udøves i det punkt i rummet. Det er hvad et elektrisk felt er. Det er kraft per ladning. Fysikere tænker normalt på det ved forestil sig, at der kastes en testladning ind. Denne testladning er meget lille, så den ikke overmander de ladninger, der danner feltet. Hvis du kastede en kæmpe ladning ind, så ville de andre ladninger spredes og hele situationen blive ændret. Så vi putter en meget lille testladning ind her. Hvis jeg vil vide, hvad det elektriske felt er i et punkt så anbringer jeg min test ladning her og måler den elektriske kraft på den og så dividerer jeg med størrelsen af testladningen. Hvad er ladningen på testladningen? Som jeg kalder ladning 2. Hvis jeg tager kraften på ladning 2 divideret med ladning 2, så får jeg størrelsen af det elektriske felt i det punkt i rummet. Det er sådan vi definerer det elektriske felt. Definitionen af det elektriske felt er mængden af kraft per ladning. Lad os indsætte nogle tal her. Lad os sige at Q 2 er 2 Coulomb, som faktisk er en enorm ladning. Det er lidt urealistisk, men tallene er nemmere at arbejde med og ideen den samme. En ladning på 2 Coulomb anbringes her. Det er værdien af Q 2. Lad os sige, at kraften på Q 2 måles til 10 Newton. Nu kan vi sige at, i det område af det elektriske felt er der en kraft på 10 Newton per 2 Coulomb af ladning. Hvilket giver os et elektrisk felt på 5. Enheden er Newton per Coulomb. Det giver mening, da det elektriske felt fortæller, hvor mange Newton kraften er per Coulomb. Hvis du anbringer flere Coulomb på det punkt i rummet så vil der være en større kraft. Dette tal fortæller, hvor mange Newton du får per Coulomb. Da vi har 2 Coulomb i dette punkt og der er 5 Newton per Coulomb så var kraften 10 Newton. Tallet 5 Newton per Coulomb er vigtigt, da det er det samme uanset hvilken ladning, der er i det punkt. Derfor er det elektriske felt så nyttigt. I dette punkt i rummet lige her er det elektriske felt 5 Newton per Coulomb, uanset hvilken ladning der er i punktet. Hvis jeg putter en ladning på 4 Coulomb i det punkt og der er 5 Newton per Coulomb, så vil der være en kraft på 20 Newton. Når der er 5 Newton for hver Coulomb, og der er 4 Coulomb, så er der 5 gange 4 som er 20 Newton. Lad os skrive formlen på en anden måde. Vi kan gange begge sider med Q og så får du, at den elektriske kraft på en ladning er lig med størrelsen af ladningen i det punkt i rummet gange med størrelsen af det elektriske felt i det punkt i rummet. Det er vigtigt, at understrege at det elektriske felt ikke er lavet af Q 2. Det er lavet af en anden ladning eller samling af ladninger. Husk, det er ladning Q 1, der laver det elektriske felt E 1 som virker med en elektriske kraft på Q 2. Q 2 laver ikke det elektriske felt E 1, som det interagerer med. Q 1 danner det elektriske felt E 1. Det er der mange der blander sammen. De ser denne formel og tror, det er Q 2 der laver det elektriske felt. Det er det ikke. Det elektriske felt virker med en elektrisk kraft på denne ladning, ikke omvendt. Q 2 danner ikke dette felt. Dette felt virker på denne ladning med en kraft. Denne formel er meget nyttig. Hvis du kender det elektriske felt i et punkt i rummet, så kan du finde ud af den elektriske kraft på enhver ladning i det punkt ved blot at gange de to værdier sammen. Nu har du lært, at det elektriske felt ikke er den elektriske kraft. Det er mængden af elektrisk kraft per ladning i et punkt i rummet. De to ting hænger sammen, men er forskellige. Forskellige nok til, at du skal holde disse to begreber adskilt. Elektrisk felt er ikke elektrisk kraft og elektrisk kraft er ikke elektrisk felt. Det elektriske felt er størrelsen af elektrisk kraft per ladning og den elektriske kraft på en ladning i et punkt i rummet er mængden af ladning gange det elektriske felt i det punkt i rummet. Så endnu engang, elektriske ladninger danner elektriske felter. Disser elektriske felter virker med kræfter på ladninger i et område. Størrelsen af det elektriske felt er repræsenteret af antallet Newtons per Coulomb i det punkt i rummet. Formlen for elektrisk felt er mængden af kraft per ladning eller mængden af elektrisk kraft er ladning gange det elektriske felt i det punkt i rummet.