Электростатика.
Электростатика – это учение о свойствах и взаимодействии
электрических зарядов, неподвижных по отношению к избранной инерциальной
системе отсчёта.
Закон сохранения электрического заряда. Проводники, диэлектрики,
полупроводники.
Существуют два типа заряда: положительный и отрицательный. Опытным
путём было установлено, что элементарный заряд дискретен, то есть заряд
любого тела составляет целое, кратное от некоторого электрического заряда.
Электрон и протон являются носителями элементарных отрицательного и
положительного зарядов. Из обобщённых опытных данных был установлен
фундаментальный закон природы, впервые сформулированный английским физиком
Фарадеем.
Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма
электрических зарядов любой замкнутой системы остаётся неизменной, какие бы
процессы не проходили внутри этой системы.
Система называется замкнутой, если она не обменивается электрическими
зарядами с внешними телами.
Электрический заряд – величина релятивистская, инвариантная, то есть
не зависит от выбранной системы отсчёта. А значит, не зависит от того,
движется этот заряд или покоится.
Наличие носителя заряда (электронов и ионов) является условием того,
что тело проводит электрический ток. В зависимости от способности проводить
электрический ток, тела делятся на:
- проводники
- диэлектрики
- полупроводники.
Проводники – тела, в которых электрический заряд может перемещаться по
всему его объёму. Проводники делятся на две группы:
1) проводники первого рода (металлы) – перенос в них электрических
зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими
превращениями;
2) проводники второго рода (расплавы солей, растворы солей и кислот и
другие) – перенос в них зарядов (положительно и отрицательно
заряженных ионов) ведёт к химическим изменениям.
Диэлектрики (стекло, пластмасса) – тела, которые не проводят
электрический ток, если к этим телам не приложено сильное внешнее
электрическое поле; в них практически отсутствуют свободные заряды.
Полупроводники (германий, кремний) – занимают промежуточное положение
между проводниками и диэлектриками. Их проводимость сильно зависит от
внешних условий (температура, ионизирующее излучение и т.д.).
Единица электрического заряда – Кулон (Кл) – электрический заряд,
проходящий через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер за время
1 секунда.
Электрический заряд и его свойства. Электрическое поле и его
характеристики. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип
суперпозиции.
Электрическим зарядом называется величина, характеризующая
взаимодействия между частицами и телами посредством электрических и
магнитных полей (электромагнитное взаимодействие).
Особенностью электромагнитных взаимодействий является то, что они
являются более интенсивными, чем гравитационные. Они занимают второе место
(после ядерных сил) по взаимодействию.
1 – ядерные взаимодействия 1
2 – электромагнитные взаимодействия 0,1
3 – слабо ядерные взаимодействия
4 – гравитационные взаимодействия
Электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных
частиц. Все элементарные частицы являются носителями положительного или
отрицательного электрических зарядов. Кл. Заряд любого тела обусловлен
суммой электрических зарядов, входящих в него.
Появление зарядов у тел происходит в результате взаимодействия тел
между собой или со средой (передача электрических зарядов от заряженных тел
– электризация; передача электрических зарядов между разнородными телами,
при этом они заряжаются положительно или отрицательно; передача
электрических зарядов на расстояние – электрическая индукция).
В замкнутой системе суммарный заряд не изменяется входе любых
химических и физических процессов.
Электрический заряд – инвариантная физическая характеристика (не
зависит от выбора системы отсчёта).
Взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством
электромагнитных полей. Движущиеся электрические заряды создают в
пространстве электрические и магнитные поля, что приводит к возникновению
электрических и магнитных сил и взаимодействий (Кулоновские силы и силы
Лоренца). Наиболее простое взаимодействие осуществляется для неподвижных по
отношению друг к другу – статическое взаимодействие.
Поля, которые создают заряды – электростатические. Характеристиками
электростатических полей являются напряжённость и потенциал.
Напряжённость электростатического поля – величина, равная отношению
силы, действующей на пробный заряд, помещённый в другую точку поля к
величине этого заряда.
, где - пробный заряд.
Потенциалом называется величина, равная отношению потенциальной
энергии пробного заряда, помещённого в данную точку поля к величине этого
заряда.
Электростатическое поле – потенциальное поле, а электростатическая
сила – консервативная сила.
Модели заряженных тел.
1 – модель точечного заряда – любое заряженное физическое тело. Если
поле определяется на расстоянии то оно больше, чем размеры тела.
2 – модели распределения зарядов:
Линейный заряд:
,
- поверхностная плотность заряда.
- объёмная плотность распределения заряда.
Закон Кулона в поле точечного заряда.
Два тела взаимодействуют между собой с силами, пропорциональными
произведению этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния
между ними.
(Рисунок)
Закон Кулона является экспериментальным законом и он также вытекает из
другого закона.
Эксперименты Кулона проводились на специальных крутильных весах.
- векторная форма записи закона Кулона.
(Рисунок)
- напряжённость поля точечного заряда.
Если q > 0 (рисунок)
Для упрощения графического изображения векторного поля вводится
параллельные линии вектора напряжённости (силовые линии). Линии
напряжённости – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с
вектором напряжённости.
Число линий, которое используется для изображения этого поля, численно
равно значению напряжённости в данной точке.
(рисунок)
Если q < 0
(рисунок)
Линии напряжённости начинаются на положительных и отрицательных
зарядах или уходит в бесконечность.
Электростатическое поле диполя.
Диполь – система положительных и отрицательных зарядов, находящихся в
этом поле.
(Рисунок)
- дипольный момент данной системы.
Вода
(Рисунок)
Принцип суперпозиции: напряжённость результирующего поля находится
путём определения геометрической суммы простых полей.
(Рисунок)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
