Elektrik sahəsinin qüvvəsi

 İçərisində yerləşdirilmiş elektrik yüklərinə müəyyən mexaniki qüvvə ilə təsir göstərən fəzaya elektrik sahəsi deyilir. Elektrik sahəsinin hər bir nöqtəsində, oraya yerləşdiriləcək vahid müsbət elektrik miqdarına təsir edən mexaniki bir qüvvə vardır. Elektrik sahəsini əmələ gətirən səbəb–elektrik miqdarıdır. Əgər elektrik yükü müşahidəçiyə nəzərən hərəkətsiz olursa, onun öz ətrafında əmələ gətirdiyi elektrik sahəsi elektrostatik sahə adlanır. Elektrik sahəsini öyrənmək üçün əsas əlamət, onun hasil etdiyi mexaniki qüvvəni öyrənməkdir. Həmin mexaniki qüvvənin qiyməti, həmin sahə içərisinə gətirilmiş elektrik yükünün qiymətindən asılıdır. Sahənin istiqaməti isə müsbət elektrik yükünə təsir edən elektrik qüvvəsinin istiqaməti kimi qəbul olunur. Elektrik sahəsində alınan mexaniki qüvvələr müxtəlif mühitlərdə müxtəlif qiymətdə olur. Keçirici mühitdə əmələ gətirilən elektrik sahəsi elektrik cərəyanı əmələ gətirir. Əgər elektrik sahəsi keçiriciliyi olmayan, və ya dielektrik mühitdə yaradılırsa, o zaman burada elektrik yüklərinin ancaq ani və sonsuz kiçik yerdəyişmə hadisəsi olacaqdır. Beləliklə, dielektrik mühitdə elektrik sahəsi əmələ gəlməsi, o mühitdə müəyyən deformasiyanın yaranması, və ya gərgin vəziyyət alınması ilə nəticələnəcəkdir. Elektrik sahəsi yaratmaq, elektrik yükünün ayrılmaz bir xassəsidir. Elektrik sahəsi istər fəzada, istərsə də dielektrik mühitdə birdən-birə deyil, müəyyən zaman içərisində və müəyyən qədər enerjinin toplanması hesabına əmələ gəlir. Elektrik sahəsini kəmiyyət tərəfdən öyrənmək üçün ən əvvəl bir nöqtəyə toplanmış elektrik yükünün yaratdığı sahəni araşdıraq. Tutaq ki, Q və q yükləri ayrı-ayrı nöqtələrdə yerləşmiş elektrik yükləridir (şəkil 1.3).

Belə iki yük arabirləşdirən xətt üzrə yönəldilmiş qarşılıqlı təsir qüvvəsi əmələ gəlir. Bu qüvvənin qiyməti elektrostatikanın əsasını təşkil edən Kulon qanunu vasitəsilə təyin olunur. Həmin qanuna əsasən, yuxarıda göstərilən elektrik yükləri arasındakı qarşılıqlı təsir qüvvəsi aşağıdakı kimi təyin edilir:

Burada r - yüklər arasındakı qısa məsafə; 𝑟𝑜 - yüklər arasındakı məsafənin vahid vektoru; K - vahidlər sistemindən və mühitin fiziki xassələrindən asılı olan əmsaldır. Hər iki elektrik yükünə eyni qiymətdə təsir edən F qüvvəsi yüklərin işarələrindən asılı olaraq, cəzbetmə, və ya dəfetmə qüvvəsi ola bilər. Burada bir yükün o birisinə təsirini müəyyən etmək üçün yüklərdən birini vahid qəbul etmək lazımdır; yəni q = 1. Bu halda alınan qarşılıqlı təsir qüvvəsini E ilə işarə edib aşağıdakı şəkildə alırıq:

Bu ifadə Q elektrik miqdarının vahid elektrik miqdarına etdiyi təsirini həm qiymət və həm də istiqamətcə göstərən bir tənlikdir. Bu kəmiyyətə elektrik sahə qüvvəsi deyilir. Demək, sahə qüvvəsi elektrik sahəsinin vahid elektrik yükünə etdiyi təsirə bərabər bir qüvvədir:

Qeyd etmək lazımdır ki, Kulon qanunundakı K proporsionallıq əmsalı bir tərəfdən mühitin dielektrik keçiliyini, digər tərəfdən isə vahidlər sistemini xarakterizə etməlidir. Buna görə, səmərələşdirilmiş praktiki vahidlər sisteminin 4𝜋 vuruğunu nəzərə almaq şərtilə K əmsalının boşluq üçün qiymətini alırıq:

Dielektrik əmsalı elektrik sahəsi əmələ gələn mühitin, elektrik yüklərinin qarşılıqlı təsiri baxımından fiziki xassələrini təyin edən bir kəmiyyətdir. Elektrik sahəsi boşluqda da əmələ gələ bildiyi üçün boşluğun da öz dielektrik əmsalı olmalıdır. Boşluq üçün həmin əmsal 𝜀0 ilə işarə olunur və Kulon qanunu ifadəsindən aşağıdakı kimi təyin edilir:

alınır.

Vakuumdan fərqli olan hər hansı başqa dielektrik mühitdə əmələ gələn mexaniki qüvvələr boşluğa nəzərən, zəif olduğu üçün hər hansı dielektrik mühitin əmsalı, boşluğun əmsalından bir qədər fərqli olacaqdır. Buna görə, hər hansı dielektrik mühitin dielektrik əmsalın, boşluğun dielektrik əmsalına olan nisbəti 𝜀𝑟=𝜀 /𝜀0 mücərrəd bir ədəd verir. Bu kəmiyyətə nisbi dielektrik əmsalı deyilir. Əgər (1.12) ifadəsinin hər tərəfini 𝜀0 vursaq, o zaman:

alırıq ki, bu da r radiusu ilə çəkilmiş bir kürəvi səth üzərində paylanmış elektrikin səthi sıxlığına bərabərdir. Elektrik miqdarının səthi sıxlığı, ümumiyyətlə:

şəkildə təyin edilir. Çox vaxt elektrik sahəsini xarakterizə etmək üçün sahə qüvvəsi əvəzinə, qiyməti həmin sıxlığa bərabər olan xüsusi bir vektordan istifadə olunur. O zaman bu kəmiyyət D ilə işarələnir, E vektoru ilə bir istiqamətdə nəzərə alınır və elektrik induksiyası, yaxud da yerdəyişmə adlanır. İnduksiya vektorunun boşluq üçün ifadəsi:

ilə təyin olunur. Elektrik sahələrinin araşdırılmasında, induksiya vekto-rundan istifadə etmək daha əlverişlidir.

Elektrik induksiyası elektrik sahələrinin tənliklərini ümumiləşdirməyə, daha doğrusu, onların mühitdən asılı olmamasına imkan yaradan bir anlayışdır. 

(1.16) tənliyindən göründüyü kimi müəyyən sahənin elektrik induksiyası həm boşluq, həm də hər hansı dielektrik mühit üçün eyni qiymət və istiqamətdə olacaqdır. Ümumiyyətlə, bütün sahələri əyani olaraq təsəvvür etmək üçün onları bir sıra xəyali xətlər və səthlərdən ibarət kimi göstərmək lazım gəlir. Elektrik sahəsini də bu şəkildə göstərmək üçün onu xarakterizə edən sahə qüvvəsi və induksiya vektorları ilə eyni istiqamətdə olan və onların həmin istiqamətdəki tətbiq nöqtələrinin birləşdirilməsində alınan bir sıra xətlər təsəvvür etmək lazımdır. Bu xətlər sahəni həm kəmiyyət, həm də keyfiyyətcə xarakterizə etməlidir. Bunlardan birincilərinə qüvvə xətləri, ikincilərinə isə induksiya xətləri deyilir. Qüvvə xətlərinin, eləcə də induksiya xətlərinin sıxlığı, şərti olaraq onların istiqamətinə normal olan vahid səthdən keçən xətlərin sayına bərabər olur və bu qiymət şərti olaraq sahə qüvvəsinə, və ya induksiyaya bərabər qəbul olunur. Buna görə də, elektrik sahəsini ya qüvvə xətləri, ya da induksiya xətləri vasitəsilə tamamilə xarakterizə etmək mümkündür. Buna görə də, sahələrin araşdırılmasında birinci növbədə onların qüvvə, yaxud induksiya xətlərinin istiqamət və sıxlığını müəyyən etmək lazımdır. Misal üçün, nöqtəyə toplanmış yüklərdən yaranan elektrik sahəsi bir mərkəzdən yayılan qüvvə xətlərindən (radius istiqamətli) ibarət düşünüldüyü üçün belə sahəyə çox vaxt radial sahə deyilir.

Müstəvi üzərində müntəzəm paylanmış elektrik yükündən əmələ gələn sahə isə həmin müstəviyə perpendikulyar olan və bir-birinə paralel gedən qüvvə xətlərindən ibarət olduğu üçün bu sahəyə bircinsli sahə adı verilir.