Elektrivälja tugevus

Välja olemasolust saab teada vaid selle tekitatud jõu kaudu.

Aine ja tema olekute kirjeldamiseks kasutatakse mitmesuguseid füüsikalisi suurusi, millest mõned on meile ka juba põhikoolist tuttavad. Välja võib samuti kirjeldada mingi suuruse abil. Kuna välja olemasolu tuleb esile jõu kaudu, siis on mõistlik elektri- ja magnetvälja iseloomustada jõuga, mis mõjub selles väljas mingile kindlale kehale.

Jõud $F_{12}$ , millega ühe punktlaengu $q_{1}$ poolt tekitatav elektriväli mõjutab teist punktlaengut $q_{2}$ , sõltub Coulomb’i seaduse (valemi 1.3 )

F_{12} = k \frac{q_{1} q_{2}}{r^{2}}

kohaselt mõlema laengu suurusest. Seega ei sobi jõud kirjeldama elektrivälja, mida tekitab esimene punktlaeng $q_{1}$ . Elektrivälja iseloomustava suuruse väärtused ei tohi ju sõltuda vahendist (proovikehast laenguga $q_{2}$ ), mida me kasutame välja olemasolu tuvastamiseks. Kui me jagame proovikehale mõjuva jõu $F_{12}$ selle keha laenguga $q_{2}$ , siis saame suuruse, mis tõepoolest ei sõltu enam laengust $q_{2}$ . See ongi esimese keha poolt tekitatava elektrivälja tugevus $E_{1}$

(1.10)

E_{1} = \frac{F_{12}}{q_{2}}

Elektrivälja tugevus näitab, kui suur jõud mõjub selles väljas ühikulise positiivse laenguga kehale. Väljatugevus on vektoriaalne (suunda omav) suurus. Seetõttu võib väljatugevust lühidalt nimetada ka E-vektoriks. Edaspidi teeme nii eelkõige siis, kui soovime rõhutada väljatugevuse vektoriaalsust. Kui aga jutt on E-vektori pikkusest (moodulist), siis ütleme lihtsalt väljatugevus $E$ . Topeltindeksiga jõu tähises $F_{12}$ rõhutame, et tegemist on jõuga, mis mõjub esimese keha poolt teisele kehale.

E-vektori kokkuleppelise suuna määrab elektrivälja tugevuse definitsioonis sisalduv sõna positiivne. Kuna kahe positiivselt laetud keha vahel mõjub tõukejõud, siis on positiivse laenguga keha poolt tekitatud elektrivälja tugevus vektorina suunatud sellest kehast eemale. Me võiksime valemis 1.10 kasutada vektorimärke, sest proovikeha laengu $q_{2}$ positiivsuse tõttu on jõud $F_{12}$ ja väljatugevus $E_{1}$ vektoritena samasuunalised. Negatiivse laenguga keha mõjutab positiivset proovilaengut $q_{2}$ tõmbejõuga, mistõttu vastav elektrivälja tugevus on vektorina suunatud negatiivse laenguga keha poole.

Üldiselt tuleb vektoriaalsete suuruste tähiseid käesoleva õpiku valemites siiski mõista kui vastavate vektorite pikkusi. Pikkuse negatiivsus tähendab aga seda, et vektor on suunatud vastupidiselt kokkuleppelisele positiivsele suunale. Näiteks on jõud $F_{12}$ ja väljatugevus $E_{1}$ negatiivse laenguga väljatekitaja korral valemis 1.10 mõlemad negatiivsed. Valemite lihtsuse nimel hoidume vektorimärkide kasutamisest.


Osakeste lennuaega mõõtvate mass-spektromeetrite töö põhineb elektrivälja mõjul laenguga kehale. Siin erineva massiga, aga ühesuguse laenguga ioonid läbivad homogeense elektrivälja (vt punkt 1.6.2) piirkonna ja saavad seal tänu oma erinevatele massidele erineva kiirenduse. Osakeste lennuaegasid mõõtes saab siis teada, missuguse massiga ioone uuritavas gaasis leidub.	Ka õhus tekkivad sädemed annavad märku tugeva elektrivälja olemasolust

Valemi 1.10 põhjal on elektrivälja tugevuse ühikuks üks njuuton kuloni kohta ( $1 N / C$ ). Üks njuuton kuloni kohta on sellise elektrivälja tugevus, milles punktlaengule suurusega $1 C$ mõjub jõud $1 N$ . Praktikas see esitus eriti kasutamist ei leia. Rohkem on levinud sama mõõtühiku teine esitusviis - üks volt meetri kohta ( $1 V / m$ ). Sellega tutvume lähemalt punktis 1.6.

Elektrivälja tugevuse kohta toodud mõned näited tabelis 1.2.

Tabel 1.2

Väli	Väljatugevus (N/C või V/m)
põleva elektrilambi hõõgniidis	400 – 600
õhus vahetult enne välgulööki	kuni 5·10⁵
sädeme tekkimisel kuivas õhus (sõltub sädeme pikkusest)	3·10⁶
elusa raku membraanis (puhkeseisundis)	2·10⁷
vesiniku aatomissse kuuluva elektroni asukohas	5·10¹¹

Edaspidi tuleb meil korduvalt väljatugevuse $E$ kaudu leida kehale laenguga $q$ selles väljas mõjuvat elektrijõudu $F$ . Valemi 1.10 põhjal

F = q E

jõud on laengu ja väljatugevuse korrutis. Indekseid me enam ei kasuta, sest valemis 1.11 sisalduv väljatugevus $E$ ei pruugi enam olla põhjustatud konkreetsest punktlaengust ega üldse mingist ühest kindlast kehast. See on enamasti paljude eri väljade tugevuste summa.

Eespool veendusime selles, et laeng täidab Coulomb’i seaduses sama rolli mida mass gravitatsiooniseaduses. Võrdlemist jätkates võiksime küsida, milline Mehaanika kursusest tuntud suurus vastab elektrivälja tugevusele $E$ . Pole kuigi raske märgata, et selleks suuruseks on raskuskiirendus $g$ . Raskuskiirendus näitab, kui suur raskusjõud $m g$ mõjub ühikulise massiga kehale. Analoogiliselt näitab elektrivälja tugevus meile, kui suur elektrijõud $q E$ mõjub selles väljas ühikulise laenguga kehale.