Elektrinio lauko stipris E apskaičiuojamas kaip elektrinė jėga F, veikianti teigiamą bandomąjį krūvį, padalyta iš to krūvio dydžio q: E = F / q. Tai elektromagnetizmui priklausantis fizikinis vektorinis dydis, rodantis, kokia jėga veiktų 1 kulono teigiamą krūvį konkrečiame elektrinio lauko taške. SI sistemoje elektrinio lauko stiprio vienetai yra niutonas kulonui arba voltas metrui: N/C = V/m.
Elektrinio lauko stipris skaičiuojamas pagal jėgos ir krūvio santykį
Pagrindinė elektrinio lauko stiprio formulė yra:
E = F / q
Čia E yra elektrinio lauko stipris, F – elektrinė jėga niutonais, o q – bandomasis krūvis kulonais. Formulė reiškia, kad elektrinis laukas apibūdinamas ne vien pačia jėga, bet jėga, tenkančia vienam krūvio vienetui.
Pavyzdžiui, jeigu 0,002 C krūvį veikia 0,6 N jėga, elektrinio lauko stipris yra 0,6 / 0,002 = 300 N/C. Tai reiškia, kad kiekvieną 1 C teigiamą krūvį tame taške veiktų 300 N jėga.
Taškinio krūvio laukas apskaičiuojamas pagal Kulono dėsnį
Kai elektrinį lauką sukuria taškinis krūvis, naudojama kita iš tos pačios fizikos kylanti formulė:
E = k · |Q| / r²
Čia Q yra lauką sukuriantis krūvis, r – atstumas nuo krūvio iki nagrinėjamo taško, o k – Kulono konstanta, kurios vertė vakuume yra apie 8,99 · 10⁹ N·m²/C². Modulio ženklas |Q| rodo, kad stiprio dydžiui svarbus krūvio didumas, o kryptį lemia krūvio ženklas.
Teigiamo krūvio sukurtas elektrinis laukas nukreiptas nuo krūvio. Neigiamo krūvio laukas nukreiptas į krūvį. Dėl šios priežasties elektrinio lauko stipris yra ne tik skaičius, bet ir kryptį turintis dydis.
Vienalyčiame elektriniame lauke stiprį galima rasti iš įtampos ir atstumo
Tarp dviejų lygiagrečių plokštelių, kai laukas laikomas vienalyčiu, elektrinio lauko stipris apskaičiuojamas taip:
E = U / d
Čia U yra elektrinė įtampa voltais, o d – atstumas tarp plokštelių metrais. Ši formulė dažnai taikoma kondensatorių, plokštelinių elektrodų ir laboratorinių uždavinių atvejais.
Jeigu tarp plokštelių yra 12 V įtampa, o atstumas tarp jų yra 0,03 m, tuomet E = 12 / 0,03 = 400 V/m. Kadangi 1 V/m = 1 N/C, tas pats laukas gali būti užrašomas ir kaip 400 N/C.
Skirtingos formulės taikomos skirtingoms situacijoms
| Situacija | Naudojama formulė | Ką reikia žinoti | Vienetai |
|---|---|---|---|
| Žinoma jėga ir bandomasis krūvis | E = F / q | Jėgą F ir krūvį q | N/C |
| Lauką sukuria taškinis krūvis | E = k · |Q| / r² | Krūvį Q ir atstumą r | N/C |
| Laukas tarp lygiagrečių plokštelių | E = U / d | Įtampą U ir atstumą d | V/m |
Praktiškai svarbiausia pirmiausia nustatyti, kokia fizikinė situacija nagrinėjama. Taškinio krūvio laukas silpnėja proporcingai atstumo kvadratui, todėl padidinus atstumą du kartus, stipris sumažėja keturis kartus. Vienalyčiame lauke toks ryšys netaikomas, nes lauko stipris tarp idealių lygiagrečių plokštelių laikomas pastoviu.
Teisingam skaičiavimui būtina suderinti matavimo vienetus
Elektrinio lauko stiprio skaičiavimuose dažniausia klaida yra netinkami vienetai. Atstumas turi būti metrais, krūvis – kulonais, jėga – niutonais, o įtampa – voltais. Jeigu atstumas pateiktas centimetrais, jį reikia paversti metrais.
- 1 cm = 0,01 m
- 1 mm = 0,001 m
- 1 mC = 0,001 C
- 1 μC = 0,000001 C
- 1 N/C = 1 V/m
Kartu reikia atskirti krūvį, kuris sukuria lauką, nuo bandomojo krūvio, kuriuo laukas matuojamas. Taškinio krūvio formulėje naudojamas Q, o formulėje E = F / q naudojamas bandomasis krūvis q. Šis žymėjimas padeda nepermaišyti dviejų skirtingų vaidmenų.
Elektrinio lauko stipris turi kryptį, todėl ženklas turi fizikinę prasmę
Elektrinis laukas yra vektorinis dydis, kaip jėga ar greitis. Skaičiuojant vien stiprio modulį gaunama tik reikšmė, tačiau sprendžiant uždavinius dažnai būtina nurodyti ir kryptį. Teigiamą bandomąjį krūvį elektrinis laukas stumia lauko kryptimi, o neigiamą – priešinga kryptimi.
Tai tiesiogiai siejasi su Kulono dėsniu: vienodo ženklo krūviai stumia vienas kitą, priešingo ženklo – traukia. Todėl elektrinio lauko linijos prasideda ties teigiamais krūviais ir baigiasi ties neigiamais. Šis modelis padeda suprasti, kodėl viename taške lauko stipris gali būti sudedamas iš kelių krūvių sukurtų laukų.
Kelių krūvių elektrinis laukas randamas sudedant vektorius
Jeigu lauką kuria ne vienas, o keli krūviai, bendras elektrinio lauko stipris lygus atskirų laukų vektorinei sumai. Tai vadinama superpozicijos principu. Kiekvieno krūvio indėlis apskaičiuojamas atskirai, o tada įvertinamos kryptys.
Jeigu du laukai nukreipti ta pačia kryptimi, jų stipriai sudedami. Jeigu kryptys priešingos, mažesnis stipris atimamas iš didesnio. Tokia taisyklė naudojama elektrostatikoje, grandinių analizės pagrinduose ir aiškinant elektrinių laukų pasiskirstymą aplink laidininkus bei izoliatorius.
