Ładunek próbny

Czym jest ładunek próbny - intuicja

Ładunek próbny będzie nam służył do wyznaczania pewnych własności pola elektrycznego. Aby wyrobić sobie intuicję przytoczmy prosty układ eksperymentalny:

Mierzenie temperatury w misce z wodą

Nalaliśmy do miski gorącej wody i chcemy się przekonać, czy już się wystarczająco ochłodziła (oddając ciepło do otoczenia), aby móc w niej zanurzyć dłoń. Możemy to zrobić na przykład za pomocą termometru. Umieszczając końcówkę termometru w cieczy, możemy zmierzyć temperaturę w danym punkcie. Jeżeli termometr ten będzie wystarczająco dokładny, zauważymy, że badając temperaturę w różnych punktach cieczy otrzymamy nieznacznie odmienne wyniki. W tym modelu termometr spełnił dla nas rolę analogiczną do roli ładunku próbnego dla fizyka w polu elektrycznym. Dokładniej określając, termometr spełnił dwa warunki które przypisujemy "cząsteczkom próbnym" - takim jak ładunek próbny:

Cząsteczka próbna

1. Oddziałuje z mierzoną własnością.
2. Oddziaływanie to jest na tyle małe, że możemy zaniedbać jego wpływ na badaną własność.

W naszym układzie mierzoną własnością była temperaturą wody. Cząsteczki wody wytracały swoją energię przekazując ją termometrowi i zwiększając temperaturę miernika, dzięki czemu pomiar był możliwy.

Pokaż kiedy drugi warunek nie byłby spełniony?


Możemy sobie wyobrazić, że nie posiadając termometru chcemy wykonać to samo doświadczenie. Jednym ze sposobów badania temperatury (bez narażenia swojego ciała na oparzenia) mogłoby być zanurzenie ofoliowanego sopla/kostki lodu w badanej cieczy. Jeżeli będziemy mieć dwie miski z wodą - jedna badaną, a drugą o znanej nam temperaturze - na przykład pokojowej - będziemy mogli porównać jak szybko lód roztopi się w obu z dostępnych naczyń. Taki pomiar będzie już jednak istotnie wpływał na stan układu, ponieważ na roztopienie lodu zostanie zużyta duża ilość ciepła z badanego obiektu. Tak więc w tym przypadku nie możemy uznać naszej metody pomiarowej za analogiczną do metody wykorzystującej ładunek próbny.


Przykład magnetyczny

Wyobraźmy sobie, że kupiliśmy magnes. Chcemy określić, czy jest dobrym magnesem tj. czy jego pole magnetyczne jest tak silne, jak deklarował producent. Aby wykonać taki pomiar potrzebujemy ciała, które będzie oddziaływać z naszym magnesem (warunek 1) - może to być na przykład inny magnes lub naładowana cząstka*. Jeżeli jednak ten drugi magnes będzie zbyt silny - pole magnetyczne zostanie na tyle przez niego zaburzone, że pomiar własności pola będzie znacznie utrudniony. Tak więc optymalnie by było zbadać zachowanie obiektu oddziałującego magnetycznie, ale jednocześnie jak najmniej zaburzającego badany układ (warunek 2). Osiągniemy to przez ciągłą miniaturyzację takiego obiektu. W końcu zejdziemy do skali, w której będzie to pojedyncza cząsteczka i to właśnie tą cząsteczkę będziemy nazywać cząsteczką próbną.

* Jeżeli chcesz zapoznać się z dokładną analizą tego zjawiska zobacz artykuł "ruchu cząstek w polu magnetycznym".


Co to jest ładunek próbny - konwencje w świecie elektrodynamiki

W świecie fizyki prócz opisanych wyżej warunków cząsteczki próbnej przyjęto dodatkowe założenia odnośnie tzw. ładunku próbnego - ujednoliconej i wyidealizowanej cząstki, która w rozważaniach akademickich jak i w rzeczywistych eksperymentach służy do badania natężenia pola elektrycznego.

- ładunek próbny oznaczamy literą `q`,
- `q` ma ładunek równy co do wartości ładunkowi elektronu,
- najczęściej przyjmujemy, że `q` ma ładunek dodatni; jeżeli autor przyjmuje inne założenie, powinien to wyraźnie zaznaczyć.