קווי שדה
קווי שדה
קווי שדה הם קווים מדומים שמראים את השדה החשמלי בכל נקודה. מהם אפשר לקרוא שלושה דברים:
- כיוון: החץ מראה את כיוון הכוח (והתאוצה) של מטען בוחן חיובי. על מטען שלילי הכוח בכיוון ההפוך. הכוח משיק לקו בכל נקודה.
- סימן המטענים: קווים יוצאים ממטען חיובי ונכנסים למטען שלילי.
- עוצמה: לפי צפיפות הקווים. זה שונה מוקטור רגיל, שבו אורך החץ מראה את הגודל. כאן אורך הקו לא אומר כלום, ומה שקובע הוא כמה קווים צפופים.
שימו לב: קו השדה מראה את כיוון הכוח, לא בהכרח את המסלול של חלקיק. חלקיק שכבר נע לא חייב לנוע לאורך הקו.
מטען בודד
במקרה של מטען חשמלי בודד, קווי השדה הם קווים ישרים, יוצאים רדיאלית מהמטען (אם חיובי) או נכנסים אליו רדיאלית (אם שלילי). ליד המטען הקווים צפופים והשדה חזק, וככל שמתרחקים הם מתפזרים והשדה נחלש.
מספר מטענים
כאשר יש יותר ממטען אחד, מתקבלת תמונה מורכבת יותר: קווי השדה מתעקמים, ומשיק הקו בכל נקודה נותן את כיוון השדה הכולל שם (סכום וקטורי של התרומות של כל המטענים).
שני מטענים זהים לעומת שני מטענים הפוכים
- שני מטענים זהים בסימנם - קווי השדה "דוחים" זה את זה, ויש נקודה בין שני המטענים שבה השדה מתאפס.
- שני מטענים הפוכים בסימנם (דיפול) - קווי השדה יוצאים מהמטען החיובי ונכנסים למטען השלילי, ואין ביניהם נקודה שבה השדה מתאפס.
נקודת האמצע בין שני מטענים חיוביים זהים
באמצע אין קווי שדה: השדה אפס, ומטען בוחן שם נמצא בשיווי משקל. אבל האם שיווי המשקל יציב?
- לאורך הקו שמחבר את המטענים: מטען בוחן חיובי שזז קצת ימינה מתקרב למטען הימני. הדחייה מימין מתחזקת והדחייה משמאל נחלשת, והוא חוזר לאמצע. יציב.
- בניצב לקו הזה: מטען שזז קצת למעלה נדחף עוד למעלה ובורח. לא יציב.
קשה לראות את זה ממפת קווי השדה. בשיעור על קווי פוטנציאל נראה שבמפת הפוטנציאל זה הרבה יותר ברור: נקודת האמצע היא "אוכף" בין שני הרים.
מטען חיובי ומטען שלילי
כל הקווים שיוצאים מהמטען החיובי נכנסים בסופו של דבר למטען השלילי (כשהמטענים שווים בגודלם). הקווים שיוצאים לכיוון המטען השלילי מגיעים אליו בדרך קצרה. הקווים שיוצאים לצד השני עושים לולאה ארוכה מאוד, ולפעמים היא כל כך גדולה שהיא יוצאת מגבולות האיור.
לאורך כל קו, צפיפות הקווים משתנה: ליד המטען החיובי היא גדולה (שדה חזק), רחוק מהמטענים היא קטנה (שדה חלש), וליד המטען השלילי היא שוב גדולה.
כלל חשוב - קווי שדה אינם חוצים זה את זה
בכל נקודה במרחב יש כיוון יחיד לשדה החשמלי הכולל, ולכן קווי שדה לעולם אינם נחתכים זה עם זה. אחרת הייתה נקודה עם שני כיווני שדה שונים באותו זמן, וזה לא אפשרי.
הדגמות
באיורים הבאים: מטען חיובי באדום, מטען שלילי בכחול, והחצים מראים את כיוון השדה. כדאי לשים לב לכמה דברים:
- מטען חיובי - הקווים יוצאים ממנו. מטען שלילי - הקווים נכנסים אליו.
- שני מטענים זהים (חיוביים או שליליים) - הקווים מתכופפים הרחק זה מזה. באמצע ביניהם נשאר אזור ריק מקווים: שם השדה מתאפס.
- שני מטענים לא זהים - מהמטען הגדול יוצאים יותר קווים (מספר הקווים יחסי לגודל המטען), ונקודת האיפוס קרובה יותר למטען הקטן.
- דיפול - כל הקווים שיוצאים מהחיובי נכנסים לשלילי.
- חיובי ושלילי לא זהים - רק חלק מהקווים שיוצאים מהמטען הגדול נכנסים לשלילי. שאר הקווים ממשיכים לאינסוף, כי למטען השלילי אין מספיק "מקום" לקלוט את כולם.
הערה חשובה
ברוב האיורים (כולל אלו הנפוצים בספרי לימוד) מתוארים קווי שדה במישור הדו-מימדי, לשם פשטות. במציאות השדה החשמלי הוא כמובן תלת-מימדי, וקווי השדה "מתפזרים" בכל הכיוונים במרחב.