Elektriline pinge ja selle seos väljatugevusega


See pilv on tõenäoliselt laetud ning pinge pilve ja maa vahel on väga suur. On oodata äikest.	Joonisel näha olev naine on positiivselt laetud üle tema pea kulgenud äikesepilve tõttu.

Keha liikumine potentsiaalse välja kahe punkti vahel ei sõltu punktide potentsiaalide absoluutsest suurusest. Ta sõltub vaid nende punktide potentsiaalide vahest. Nii näiteks voolab jõgi ühtemoodi aeglaselt tasasel kõrgustikualal (platool) ja merelähedasel madalal tasandikul. Voolu kiirust ei määra mitte absoluutne kõrgus (merepinnast), vaid jõe vaadeldava lõigu otspunktide kõrguste vahe. Analoogiliselt on ka laengukandjate liikumise kiirus elektriväljas määratud potentsiaalide vahega.

Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahet nimetatakse elektriliseks pingeks $U$ . Potentsiaali definitsiooni (valemi 1.21) kohaselt võib pinge avaldada kujul

(1.23)

U = ϕ_{1} - ϕ_{2} = \frac{E_{p 1} - E_{p 2}}{q}

$E_{p1}$ ja $E_{p2}$ on seejuures laengut $q$ omava keha potentsiaalse energia väärtused elektrivälja kahes punktis. Nende väärtuste vahe võrdub tööga, mida teeb väli selle keha nihutamisel ühest punktist teise. Järelikult

(1.24)

U = \frac{A}{q}

kahe punkti vaheline pinge näitab, kui suurt tööd teeb elektriväli ühikulise positiivse laenguga keha viimisel ühest punktist teise. Laetud keha liikumisel piki jõujoont on keha nihe võrdne teekonna algus- ja lõpp-punkti vahekaugusega d ning tehtav töö avaldub kujul $A = q E d$ . Järelikult valemi 1.24 põhjal

(1.25)

U = \frac{A}{q} = \frac{q E d}{q} = E d

Siit tuleneb praktiline eeskiri elektrivälja tugevuse leidmiseks. Nimelt saame elektrivälja tugevuse, jagades kahe punkti vahelise pinge $U$ nende punktide vahekaugusega $d$ , mis on mõõdetud piki välja mõjumise suunda. Seega

(1.26)

E = \frac{U}{d}

Valem 1.26 on täiesti täpne homogeenses elektriväljas. Mittehomogeenses väljas annab ta keskmise väljatugevuse vaadeldavas piirkonnas.

Valemiga 1.24 on määratud potentsiaali ja pinge ühik volt (1 V). Elektrivälja kahe punkti vahel on pinge üks volt, kui laengu 1 C viimisel ühest punktist teise tehakse töö 1 J. Seega

1 V = \frac{1 J}{1 C}

Suures Hadronite Põrgutis antakse prootonitele energia 7TeV ( $1, 12 μ J$ ).

Samast seosest tuleneb töö ja energia ühik elektronvolt (1 eV). Kuna valemi 1.24 põhjal $A = q U$ , siis üks elektronvolt on töö, mida teeb elektriväli elementaarlaengut omava osakese (elektroni) viimisel ühest punktist teise, kui pinge nende punktide vahel on üks volt.

1 eV = 1 e \cdot 1 V = 1, 6 \cdot 10^{- 19} C \cdot 1 V = 1, 6 \cdot 10^{- 19} J

Üks elektronvolt on järelikult sama arv kordi väiksem ühest džaulist kui mitu korda elementaarlaeng on väiksem ühest kulonist. Elektronvolt on sobivaks töö ja energia ühikuks mikromaailma protsesside kirjeldamisel, millega tutvume gümnaasiumi füüsikakursuse lõpus.

Valemi 1.26 abil on saadud elektrivälja tugevuse SI-ühik volt meetri kohta (1 V/m). See on identne valemist (1.10 ) tuleneva ühikuga 1 N/C, sest

1 \frac{V}{m} = \frac{1 J}{1 C \cdot 1 m} = \frac{1 N \cdot 1 m}{1 C \cdot 1 m} = 1 \frac{N}{C}

Üks volt meetri kohta on sellise elektrivälja tugevus, milles potentsiaal muutub liikumisel piki välja suunda igal meetril ühe voldi võrra.

Pinge ja potentsiaali teema lõpetuseks meenutagem Füüsikalise looduskäsitluse aluste kursust, milles tutvusime töö kui protsessi kirjeldava suuruse ja potentsiaalse energia kui süsteemi olekut (seisundit) kirjeldava suurusega. Pole raske märgata, et Elektromagnetismis kirjeldab protsessi pinge, olukorda elektrivälja mingis punktis aga potentsiaal. Protsess viib süsteemi ühest olekust teise, mistõttu töö on kahe potentsiaalse energia vahe ning pinge kahe potentsiaali vahe. Samas võib potentsiaale vaadelda kui pingeid mingi ühise kokkuleppelise nulltaseme suhtes.

Elektrivälja tugevus juhtiva keha pinna lähedal sõltub pinna kujust. Teraviku ümbruses saavutab väljatugevus väga suure väärtuse, sest teravik käitub punktlaenguna, millele lähenemisel väljatugevus kiiresti suureneb. Elektrivälja tugevnemisega teravike läheduses võib kaasneda laengu äravool teravikelt, sest õhk teraviku ümber muutub elektrit juhtivaks. Vastavalt püütakse kõrgepingeseadmetes vältida teravaid nurki ja väljaulatuvaid osi. Ka välgueelne elektriväli õhus on kõige tugevam maast lähtuva teraviku läheduses. Seetõttu on hoonetele parimaks kaitseks piksevarras. Välgulöök tabab suure tõenäosusega eelkõige piksevarrast, aga mitte hoonet.


Burj Khalifa Dubais, Araabia Ühendemiraatides on maailma kõrgeim ehitis. Ilmselt on see ka alus maailma kõige atraktiivsemale piksevardale.	Mida rohkem on üks jalg välgutabamuse asukohale lähemal kui teine, seda suurem pinge nende vahel tekib.

Kui välk lööb maasse, siis on maapinna potentsiaal välgust tabatud kohas hetkeks oluliselt erinev Maa üldisest potentsiaalist. Selle tagajärjel muutub potentsiaal piki maapinda lähenemisel välgust tabatud kohale. Mida rohkem on inimese üks jalg välgutabamuse asukohale lähemal kui teine, seda suurem potentsiaalide erinevus (pinge) tekib tema kahe jala vahel. Niisugust pinget nimetatakse sammupingeks. Sammupinge võib esineda ka elektrijuhtmestiku rikke tagajärjel. Igatahes on elektriohu korral soovitav liikuda võimalikult lühikeste sammudega, et vältida suure sammupinge tekkimist.

Äikese ajal pole soovitav ujuda või sõita paadiga. Välisantenni kasutamise korral ei maksa äikese ajal vaadata telerit. Tasub hoiduda ahju kütmisest, kuna suitsusammas sisaldab harilikust õhust oluliselt rohkem laetud osakesi. Seetõttu võib välk tema kaudu majja sisse lüüa.