Основные понятия. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Принцип суперпозиции. Теория близкодействия. Потенциал электрического поля. Конденсатор. Электростатика. Основные принципы и законы, описывающие этот раздел физи

... Все предсказания электростатики следуют из двух ее законов.
Но одно дело высказать эти вещи математически, и совсем другое -
применять их с легкостью и с нужной долей остроумия.
Ричард Фейнман

Электростатика изучает взаимодействие неподвижных зарядов. Ключевые эксперименты электростатики были проведены в XVII-XVIII веках. С открытием электромагнитных явлений и той революции в технологиях, которые они произвели, интерес к электростатике на некоторое время был утерян. Однако современные научные исследования показывают огромное значение электростатики для понимания многих процессов живой и неживой природы.

Электростатика и жизнь

В 1953 году американские ученые С. Миллер и Г. Юри показали, что одни из «кирпичиков жизни» - аминокислоты - могут быть получены путем пропускания электрического разряда через газ, близкий по составу первобытной атмосфере Земли, состоящей из метана, аммиака, водорода и паров воды. В течение последующих 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции. Таким образом, энергия, необходимая для зарождения жизни на Земле и ее эволюции, действительно могла быть электростатической энергией разрядов молний (рис. 1).

Как электростатика вызывает молнии

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкает около 2000 молний, в каждую секунду примерно 50 молний ударяют в Землю, каждый квадратный километр поверхности Земли поражается молнией в среднем шесть раз в году. Еще в XVIII веке Бенджамин Франклин доказал, что молнии, бьющие из грозовых облаков, это электрические разряды, переносящие на Землю отрицательный заряд. При этом каждый из разрядов снабжает Землю несколькими десятками кулонов электричества, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 килоампер. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится лишь десятые доли секунды и что каждая молния состоит из нескольких более коротких.

С помощью измерительных приборов, установленных на атмосферных зондах, в начале XX века было измерено электрическое поле Земли, напряженность которого у поверхности оказалась равной приблизительно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому можно сказать, что электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2–4 кА, плотность которого составляет (1–2)·10 –12 А/м 2 , и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И если бы не было молний, это электрическое поле исчезло бы! Получается, что в хорошую погоду электрический конденсатор Земли разряжается, а при грозе - заряжается.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого сконденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6–7 км, а низ - нависать над землей на высоте 0,5–1 км. Выше 3–4 км облака состоят из льдинок разных размеров, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха, поднимающегося снизу от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, и они увлекаются восходящими потоками воздуха и по дороге все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки собираются преимущественно в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу (рис. 2). Другими словами, верхушка облака заряжается положительно, а низ - отрицательно. При этом на земле непосредственно под грозовым облаком наводятся положительные заряды. Теперь все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Характерно, что перед грозой напряженность электрического поля Земли может достигать 100 кВ/м, т. е. в 1000 раз превышать ее значение в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом (рис. 3).

Фульгурит - след молнии на земле

При разряде молнии выделяется энергия порядка 10 9 –10 10 Дж. Большая часть этой энергии тратится на гром, нагрев воздуха, световую вспышку и излучение других электромагнитных волн, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Но и этой «маленькой» части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека или разрушить здание. Молния может разогревать канал, по которому она движется, до 30 000°C, что гораздо выше температуры плавления песка (1600–2000°C). Поэтому молнии, попадая в песок, плавят его, а раскаленный воздух и водяные пары, расширяясь, формируют из расплавленного песка трубку, которая через некоторое время застывает. Так рождаются фульгуриты (громовые стрелы, чертовы пальцы) - полые цилиндры, сделанные из оплавленного песка (рис. 4). Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров.

Как электростатика защищает от молний

К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому не угрожают здоровью людей. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, ежегодно от удара молнии страдают около тысячи человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой «кары божьей». Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской «Энциклопедии», защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельба из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

В 1750 году Франклин изобрел громоотвод (молниеотвод). Пытаясь защитить здание Капитолия столицы штата Мэриленд от удара молнии, он прикрепил к зданию толстый железный стержень, возвышающийся над куполом на несколько метров и соединенный с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям. Механизм действия громоотвода легко объяснить, если вспомнить, что напряженность электрического поля вблизи поверхности заряженного проводника увеличивается с ростом кривизны этой поверхности. Поэтому под грозовым облаком вблизи острия громоотвода напряженность поля будет так высока, что вызовет ионизацию окружающего воздуха и коронный разряд в нем. В результате вероятность попадания молнии в громоотвод значительно возрастет. Так знание электростатики не только позволило объяснить происхождение молний, но и найти способ защититься от них.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие божьего гнева, казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы.

Любопытный случай произошел в 1780 году в одном небольшом городке на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали... Максимилиан Робеспьер.

Ну, а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Электростатика, возвращающая жизнь

Энергия разряда конденсатора не только привела к возникновению жизни на Земле, но и может вернуть жизнь людям, у которых клетки сердца перестали синхронно сокращаться. Асинхронное (хаотичное) сокращение клеток сердца называют фибрилляцией. Фибрилляцию сердца можно прекратить, если пропустить через все его клетки короткий импульс тока. Для этого к грудной клетке пациента прикладывают два электрода, через которые пропускают импульс длительностью около десяти миллисекунд и амплитудой до нескольких десятков ампер. При этом энергия разряда через грудную клетку может достигать 400 Дж (что равно потенциальной энергия пудовой гири, поднятой на высоту 2,5 м). Устройство, обеспечивающее электрический разряд, прекращающий фибрилляцию сердца, называют дефибриллятором. Простейший дефибриллятор представляет собой колебательный контур, состоящий из конденсатора емкостью 20 мкФ и катушки индуктивностью 0,4 Гн. Зарядив конденсатор до напряжения 1–6 кВ и разрядив его через катушку и пациента, сопротивление которого составляет около 50 Ом, можно получить импульс тока, необходимый для возвращения пациента к жизни.

Электростатика, дающая свет

Люминесцентная лампа может служить удобным индикатором напряженности электрического поля. Чтобы убедиться в этом, находясь в темном помещении, потрем лампу полотенцем или шарфом - в результате внешняя поверхность лампового стекла зарядится положительно, а ткань - отрицательно. Как только это произойдет, мы увидим всполохи света, возникающие в тех местах лампы, к которым мы прикасаемся заряженной тканью. Измерения показали, что напряженность электрического поля внутри работающей люминесцентной лампы составляет около 10 В/м. При такой напряженности свободные электроны обладают необходимой энергией для ионизации атомов ртути внутри люминесцентной лампы.

Электрическое поле под высоковольтными линиями электропередач - ЛЭП - может достигать очень высоких значений. Поэтому если в темное время суток люминесцентную лампу воткнуть в землю под ЛЭП, то она загорится, и довольно ярко (рис. 5). Так с помощью энергии электростатического поля можно освещать пространство под ЛЭП.

Как электростатика предупреждает о пожаре и делает дым чище

В большинстве случаев при выборе типа детектора пожарной сигнализации предпочтение отдается дымовому датчику, так как пожар обычно сопровождается выделением большого количества дыма и именно этот тип детектора способен предупредить людей в здании об опасности. Дымовые датчики используют ионизацию или фотоэлектрический принцип для обнаружения дыма в воздухе.

В ионизационных детекторах дыма имеется источник α-излучения (как правило, америций-241), ионизирующий воздух между металлическими пластинами-электродами, электрическое сопротивление между которыми постоянно измеряется с помощью специальной схемы. Образующиеся в результате α-излучения ионы обеспечивают проводимость между электродами, а оказывающиеся там микрочастицы дыма связываются с ионами, нейтрализуют их заряд и увеличивают таким образом сопротивление между электродами, на что реагирует электрическая схема, подавая сигнал тревоги. Датчики, устроенные на этом принципе, демонстрируют весьма впечатляющую чувствительность, реагируя еще до того, как самый первый признак дыма обнаруживается живым существом. Следует отметить, что используемый в датчике источник радиации никакой опасности для человека не представляет, так как альфа-лучи не могут пройти даже через лист бумаги и полностью поглощаются слоем воздуха толщиной в несколько сантиметров.

Способность частичек пыли к электризации широко используется в промышленных электростатических пылеуловителях. Газ, содержащий, например, частицы сажи, поднимаясь вверх, проходит через отрицательно заряженную металлическую сетку, в результате чего эти частицы приобретают отрицательный заряд. Продолжая подниматься вверх, частицы оказываются в электрическом поле положительно заряженных пластин, к которым они притягиваются, после чего частицы падают в специальные емкости, откуда их периодически удаляют.

Биоэлектростатика

Одной из причин астмы являются продукты жизнедеятельности пылевых клещей (рис. 6) - насекомых размером около 0,5 мм, живущих в нашем доме. Исследования показали, что приступы астмы вызываются одним из белков, который выделяют эти насекомые. Структура этого белка напоминает подкову, оба конца которой заряжены положительно. Электростатические силы отталкивания между концами такого подковообразного белка делают его структуру стабильной. Однако свойства белка можно изменить, если нейтрализовать его положительные заряды. Это удается сделать, увеличив концентрацию отрицательных ионов в воздухе с помощью любого ионизатора, например люстры Чижевского (рис. 7). Одновременно с этим уменьшается и частота приступов астмы.

Электростатика помогает не только обезвреживать белки, выделяемые насекомыми, но и ловить их самих. Уже говорилось о том, что волосы «встают дыбом», если их зарядить. Можно себе представить, что испытывают насекомые, когда оказываются электрически заряженными. Тончайшие волоски на их лапках расходятся в разные стороны, и насекомые теряют способность передвигаться. На таком принципе основана ловушка для тараканов, показанная на рисунке 8. Тараканов привлекает сладкая пудра, предварительно электростатически заряженная. Пудрой (на рисунке она белая) покрывают наклонную поверхность, находящуюся вокруг ловушки. Оказавшись на пудре, насекомые становятся заряженными и скатываются в ловушку.

Что такое антистатики?

Одежда, ковры, покрывала и т. п. предметы заряжаются после контакта с другими предметами, а иногда и просто со струями воздуха. В быту и на производстве заряды, возникающие таким образом, часто называют статическим электричеством.

При нормальных атмосферных условиях натуральные волокна (из хлопка, шерсти, шелка и вискозы) хорошо впитывают влагу (гидрофильны) и поэтому слегка проводят электричество. Когда такие волокна касаются других материалов или трутся о них, на их поверхностях появляются избыточные электрические заряды, но на очень короткое время, поскольку заряды сразу же стекают обратно по влажным волокнам ткани, содержащим различные ионы.

В отличие от натуральных, синтетические волокна (полиэфирные, акриловые, полипропиленовые) плохо впитывают влагу (гидрофобны), и на их поверхностях имеется меньшее количество подвижных ионов. При контакте синтетических материалов друг с другом они заряжаются противоположным зарядами, но так как эти заряды стекают очень медленно, материалы прилипают друг к другу, создавая неудобства и неприятные ощущения. Кстати, волосы по структуре очень близки к синтетическим волокнам и тоже гидрофобны, поэтому при контакте, например, с расческой они заряжаются электричеством и начинают отталкиваться друг от друга.

Чтобы избавиться от статического электричества, поверхность одежды или другого предмета можно смазать веществом, которое удерживает влагу и этим увеличивает концентрацию подвижных ионов на поверхности. После такой обработки возникший электрический заряд быстро исчезнет с поверхности предмета или распределится по ней. Гидрофильность поверхности можно увеличить, смазав ее поверхностно-активными веществами, молекулы которых похожи на мыльные молекулы - одна часть очень длинной молекулы заряжена, а другая нет. Вещества, препятствующие появлению статического электричества, называют антистатиками. Антистатиком является, например, и обычная угольная пыль или сажа, поэтому, чтобы избавиться от статического электричества, в состав пропитки ковролиновых покрытий и обивочных материалов включают так называемую ламповую сажу. Для этих же целей в такие материалы добавляют до 3% натуральных волокон, а иногда и тонкие металлические нити.

Электростатика – это учение о покоящихся электрических зарядах и связанных с ними электростатических полях.

1.1. Электрические заряды

Основным понятием электростатики является понятие электрического заряда.

Электрический заряд – это физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Единица электрического заряда – кулон (Кл) – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 ампер за 1 секунду.

Свойства электрического заряда:

существуют положительные и отрицательные заряды;

электрический заряд не изменяется при движении его носителя, т.е. является инвариантной величиной;

электрический заряд обладает свойством аддитивности: заряд системы равен сумме зарядов составляющих систему частиц;

все электрические заряды кратны элементарному:

Где e = 1,6  10 -19 Кл;

суммарный заряд изолированной системы сохраняется – закон сохранения заряда.

В электростатике используется физическая модель – точечный электрический заряд – заряженное тело, форма и размеры которого несущественны в данной задаче.

1.2. Закон Кулона. Электрическое поле

Взаимодействие точечных зарядов, т.е. таких, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстояниями между ними, определяется законом Кулона : сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна величине каждого из них, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена по линии, соединяющей заряды:

где
- единичный вектор, направленный по линии, соединяющей заряды.

Направление векторов силы Кулона показано на рис. 1.

Рис.1. Взаимодействие точечных зарядов

В системе СИ

где  0 = 8,85  10 -12 Ф/м – электрическая постоянная

Если взаимодействующие заряды находятся в изотропной среде, то кулоновская сила:

где  - диэлектрическая проницаемость среды – безразмерная величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия F между зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия в вакууме F 0 :

Тогда закон Кулона в системе СИ:

Сила направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды, т.е. является центральной, и соответствует притяжению (F <0 ) в случае разноименных зарядов и отталкиванию (F >0 ) в случае одноименных зарядов.

Таким образом, пространство, где находятся электрические заряды, обладает определенными физическими свойствами: на любой заряд, помещенный в это пространство, действуют электрические силы.

Пространство, в котором действуют электрические силы, называется электрическим полем.

Источником электростатического поля являются покоящиеся электрические заряды. Любое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле действует с определенной силой на внесенный в него заряд. Следовательно, взаимодействие заряженных тел осуществляется по схеме:

заряд  поле  заряд.

Итак, электрическое поле – это одна из форм материи, основное свойство которой – передавать действие одних заряженных тел на другие.

Электроста́тика, раздел теории электричества, в котором изучается взаимодействие неподвижных электрических зарядов . В основе электростатики, изучающей стационарное силовое взаимодействие между макроскопическими неподвижными заряженными телами, заложены три экспериментально установленных факта: наличие двух видов электрических зарядов, существование взаимодействия между ними, осуществляемое электрическим полем , и принцип суперпозиции , когда взаимодействие любых двух зарядов не зависит от присутствия других.

Существует два типа зарядов, положительные, обозначаемые знаком плюс «+», и отрицательные, которым присвоен знак минус «-». Заряды создают вокруг себя электрическое поле. Поле неподвижных зарядов является электростатическим полем . Электрический заряд и электрическое поле - первичные понятия электростатики.

Суммарный заряд тела, как положительный, так и отрицательный всегда кратен некоторому элементарному электрическому заряду . В электростатике изучаются физические величины, усредненные в пространстве и во времени. При усреднении в пространстве применяют обычные методы физики сплошных сред, усреднение по времени позволяет считать стационарными заряды, находящиеся в тепловом движении. Положительные и отрицательные заряды являются составными частями молекул, и все макроскопические тела содержат огромное количество положительных и отрицательных зарядов, но об электростатическом взаимодействии говорят лишь в том случае, когда тело имеет избыток зарядов одного знака. Заряд макроскопического тела определяется суммарным зарядом элементарных частиц, из которых состоит это тело. Усреднение позволяет рассматривать не только отдельные заряды, но и вводить представление об объемной плотности заряда. Закон сохранения зарядов утверждает, что в замкнутой системе заряд сохраняется.

Мерой электрического поля, осуществляющего взаимодействие зарядов, в любой его точке является напряженность . Изображают электрическое поле с помощью силовых линий - линий, касательная к которым совпадает с направлением напряженности поля. Напряженность поля в любой точке пропорциональна величине образующего заряда, поэтому в принципе возможно поставить в соответствие элементарному заряду определенное ограниченное число силовых линий.

Электрические заряды одного знака отталкивают друг друга, заряды противоположного знака - притягиваются. На этом явлении основан принцип работы электрометра . Регистрация взаимодействия зарядов всегда осуществляется на расстояниях, значительно больших, чем межатомные. Между электрическими зарядами, размером которых можно пренебречь, действует сила, величина которой определяется законом Кулона . Закон Кулона - основной закон электростатики, определяет силу взаимодействия неподвижных точечных зарядов в зависимости от их величины и расстояния между ними.

Из закона Кулона следует, что работа электрических сил при перемещении заряда не зависит от пути, по которому заряд движется из одной точки в другую, а определяется лишь положением этих точек в пространстве. Если одну из точек унести в бесконечность, то тогда в каждой точке можно поставить в соответствие электрический потенциал , который характеризует работу, которую нужно совершить, чтобы перенести единичный заряд из бесконечности в данную точку. Если в электрическом поле соединить все точки с одинаковым потенциалом, то мы получим поверхность равных потенциалов, или эквипотенциальную поверхность .

Принцип суперпозиции электрических полей - один из основных принципов электростатики, и является обобщений многих наблюдений. В соответствии с принципом суперпозиции напряженность электрического E поля нескольких неподвижных точечных зарядов q1, q2, q3 ...равна векторной сумме напряженности полей, которые бы создавал каждый из этих зарядов в отсутствии остальных. Фактически, он означает, что присутствие других зарядов не сказывается на поле, создаваемое данным зарядом.

Закон взаимодействия электрических зарядов можно сформулировать в виде теоремы Гаусса , которую можно рассматривать как следствие закона Кулона и принципа суперпозиции. Типичные задачи электростатики - нахождение распределения зарядов на поверхностях проводников по известным полным зарядам или потенциалам каждого из них, а также вычисление энергии системы проводников по их зарядам и потенциалам. Электростатика изучает также поведение различных материалов - проводников и диэлектриков - в электрическом поле.

Электростатика - это раздел науки об электричестве изучающей неподвижные электрические заряды. В ее основе лежат 3 основных факта это существование двух видов зарядов, наличие взаимодействия между ними и принцип суперпозиции (на взаимодействие двух зарядов не влияет третий).

И так в природе существует два вида электрических зарядов. Условно одному из них присвоен знак плюс «+» а другому соответственно знак минус «-» . Вокруг этих зарядов существует электрическое поле, и если эти заряды неподвижны, то поле называется электростатическим.

Рисунок 1 Отрицательный и положительный заряды.

Электрический заряд это величина дискретная. То есть он состоит из элементарных зарядов определенной величины. И суммарный заряд, какого либо тела кратен этому элементарному заряду.

При изучении зарядов в электростатике применяют методы усреднения, как во времени, так и в пространстве. Что позволяет рассматривать заряды, находящиеся в хаотичном тепловом движении как неподвижные.

Все заряды как положительные, так и отрицательные входят в состав молекул вещества. Таким образом, любое тело обладает большим количеством зарядов. Но явления взаимодействия электростатических зарядов можно наблюдать лишь в том случае если тело обладает избытком (недостатком) зарядов одного знака.

Закон сохранения заряда гласит, что если система замкнута, то суммарный заряд в ней неизменен. Эти заряды могут, как угодно распределятся внутри системы, что никак не повлияет на заряд системы в целом.

Единицей измерения для поля, создаваемого электрическими зарядами, служит напряжённость. Графически ее изображают в виде силовых линий. Плотность силовых линий указывает на величину напряжённости поля.

Рисунок 2 поле между разноименными зарядами.

Одноименные заряды всегда отталкиваются, а разноименные притягиваются. Между зарядами размерами, которых можно пренебречь (точечные заряды) действует так называемая Кулоновская сила. Закон кулона определяет, чему равна сила взаимодействия двух электрических зарядов в зависимости от их величины и расстояния между ними.

Формула 1 закон Кулона

Электростатическое поле является потенциальным. Это значит, что работа по перемещению заряда из одной точки в другую не зависит от формы пути движения заряда. Если одна из точек находится на бесконечности, то можно ввести понятие электрического потенциала. Он определяет работу, затрачиваемую на перемещение заряда из бесконечности в данную точку пространства.

И напоследок поговорим о принципе суперпозиции поле. Суть принципа заключается в том, что результирующее поле нескольких точечных зарядов будет векторной суммой полей каждого из зарядов в отдельности. То есть поле третьего заряда не как не влияет на поля двух других зарядов.

Рисунок 3 принцип суперпозиции полей

Основные задачи, которые решает электростатика, это определение распределения заряда по поверхности, зная потенциал поверхности или ее полный заряд. Нахождение энергии системы проводников, зная их заряды и потенциалы. А также изучение поведения различных веществ в электрическом поле.

Основные понятия электростатики

Электрический заряд (количество электричества) -- это физическая скалярная величина, определяющая способность телбыть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному Элементарный электрический заряд -- фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602·10?19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

Плотность заряда -- это количество заряда, приходящееся на единицу длины, площади или объёма, таким образом определяются линейная, поверхностная и объемная плотности заряда, которые измеряются в системе СИ: в (тау)[Кл/м], в (д)[Кл/мІ] и в [Кл/мі], соответственно. Плотность заряда может иметь как положительные, так и отрицательные значения, это связано с тем, что существуют положительные и отрицательные заряды.

Электростатика -- раздел учения об электричестве, изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Покоящиеся заряды взаимодействуют посредством электрического поля. F = 1/4П е0. · (|q1| · |q2|) / r2 (е0 ? 8,854187817·10?12 Ф/м) .Это взаимодействие сохраняется и при движении зарядов и осуществляется магнитным полем.

Электрического поле--особый вид материи, существующий вокруг любого электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды. Напряженность - силовая характеристика электрического поля. отношению силы F, действующей на неподвижный точечный заряд (В/м). Принцип суперпозиции полей: напряженность поля, созданного системой зарядов равна геометрической сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом.

Напряженность поля диполя в произвольной точке (согласно принципу суперпозиции): где + и -- напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами. Дипольный момент.

Линии напряженности - это линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности в данной точке поля. Никогда не могут быть замкнуты сами в себя. Имеют обязательно начало и конец, либо уходят в бесконечность. Направлены от положительного заряда к отрицательному, они никогда не пересекаются. Поток вектора напряж. (т. Гаусса) или En S для плоских пов-ей.

Электростат. т. Острогр.-Гаусса ФЕ=?q/E0 . Для бескон. равномернозаряж. плоскости Е= д/2 е0.

Дифф. форма. Дивергенция равна числу линий напряженности выходящих (входящих) из единичного объема.

Работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек и величиной заряда.=> поле потенц. А силы консервативны. При малом перемещении?l:

Потенциал ц электрического поля - отношение потенциальной энергии электрического заряда в электростатическом поле к величине этого заряда (Вольт = 1 Дж / 1 Кл).

Работа A12 по перемещению электрического заряда q из начальной точки (1) в конечную точку (2) равна произведению заряда на разность потенциалов (ц1 - ц2): A12 = Wp1 - Wp2 = qц1 - qц2 = q(ц1 - ц2) или

Поверхность, во всех точках которой потенциал электрического поля имеет одинаковые значения, называется эквипотенциальной поверхностью или поверхностью равного потенциала.

Проводники в электростатич. поле - Е= д/E0. Связь Е с плотн. у пов-ти любого проводника. Напряженность поля всюду внутри проводника должна быть равна нулю Е=0. В соответствии с уравнением это означает, что потенциал внутри проводника должен быть постоянным, т.е. . Т.к. сущ явление электростатической индукции, т.е. разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле/элое (Е внешнее) с образованием нового электростатического поля (Е внутр.) внутри проводника. При внесении незаряженного проводника во внешнее электрическое поле свободные заряды начинают двигаться и через небольшое время приходят в равновесие. Напряженность поля на поверхности проводника должна быть в каждой точке направлена по нормали к поверхности.

Электростатическая защита - клетка Фарадея, разность потенциалов может достигать млн. вольт, но внутри не будет поля.

Электроемкость. Численно равна заряду q сообщение которого проводнику, изм. его потенциал на 1. C=q /?ц=С/U (Ф = Кл/В) Электроемкость проводника не зависит от рода вещества и заряда, но зависит от его формы и размеров, а также от наличия вблизи других проводников или диэлектриков. Плоский из двух проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. (ц1-ц2=?Edr =дd/E0 ,а С=q/?ц, где q=дS => C=E E0S/d)

Параллельное (C = C1 + C2) напряжения на конденсаторах одинаковы: U1 = U2 = U, а заряды равны q1 = С1U и q2 = C2U. Последовательное (С=С1С2/С1+С2) заряды обоих конденсаторов: q1 = q2 = q

Энергия системы точ. зар. (для 2ух)

Энергия заряж. проводника весь объем проводника является эквипотенциальным => восп. предыдущей формулой

т.к. С=q/ц то =>

Энергия заряженного проводника (независимо от знака заряда) всегда положительна

Работа, совершаемая при заряжении конденсатора, определит его электрическую энергию. Электрическая энергия заряженного конденсатора определяется теми же формулами, которые были получены для заряженного проводника, если в них q, С и U будут соответственно определять заряд на обкладках конденсатора, емкость конденсатора и разность потенциалов между обкладками конденсатора. Таким образом, энергия заряженного конденсатора равна

Энергия электрического поля. Подстановка выражения для емкости в формулу для энергии конденсатора дает: Частное U / d равно напряженности поля в зазоре; произведение S·d представляет собой объем V, занимаемый полем. Следовательно,

Объемная плотность энергии. Если поле однородно, то заключенная в нем энергия распределяется в пространстве с постоянной плотностью w.

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента. Молекула превращается в диполь, где эл. момент p=ql. Поляризованность определяется как электрический момент единицы объема диэлектрика

N - число молекул. Связь p с плотностью: д=2cosб=Pn

Электрическое поле в диэлектрике. Пусть напряженность электрического поля, которое создается этими плоскостями в вакууме, равна. Связь поляризации с напряж. где диэл-я восприимчивость (физическая величина, мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля) Диэл. проницаемость - абс. (показывает зависимость электрической индукции от Е). и отн.(е=Сx/C0), [Ф/м] и безразм. соответственно. Вектор электост-ой индукции D=е0Е+P

Поляризация электронная теория - смещение электронных оболочек атомов под действием внешнего электрического поля. Проявляется эл. момент диэлектрика. В неполярн. мол. Момент = 0, в поляр. отл. от 0.

Дипольная (Ориентационная) -- протекает с потерями на преодоление сил связи и внутреннего трения. Связана с ориентацией диполей во внешнем электрическом поле. -> при возд. внеш. поля меняет ориент. молекул созд. момент

Ионная -- смещение узлов кристаллической решетки под действием внешнего электрического поля, причем смещение на величину, меньшую, чем величина постоянной решетки.

Сегнетоэлектрики - высокая (до 10к) е - исп. в конденсаторах. Вектор D не пропорционален E. D= е е0E . Поляр-я сегн-взависит в больш. Ст. от предыдущего сост. поляризации (петля диэл. гестерезиса). Диэл. св-ва зависят от Т точки Кюри, когда они пропадают (-15 -- +22.5)… Постоямнный ток --с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Сила тока -- физическая величина I, равная отношению количества заряда, прошедшего через некоторую поверхность за время, к величине этого промежутка времени По закону Ома для участка цепи I=U/R

Падение напряжения -- постепенное уменьшение напряжения вдоль проводника т.к. проводник обладает активным сопротивлением. Также это величина на которую меняется потенциал при переходе из одной точки цепи в другую. По закону Ома на участке проводника, обладающем активным сопротивлением R, ток I создаёт падение напряжения U=IR.

Сопротивлемние -- физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему

Закон Ома в дифф. ф. ?-уд. электропровод-ть в интегр. форме JR=U+е е эдс для неоднород. участка цепи:

*R-общ. сопр. неоднор. участка) для замкн. цепи I=е / R+ r е эдс r+R полн. сопр.

Первое правило Кирхгофа алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю.

Второе правило Кирхгофа алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура.

Магнитное поле создается вокруг электрических зарядов при их движении. Так как движение электрических зарядов представляет собой электрический ток, то вокруг всякого про­водника с током всегда существует магнитное поле тока.

Не действует на неподвиж. заряд.

Pm=ISn магн. момент контура, n полож-я. Нормаль

Вектор магнитной индукции В силовая хар-ка мп. Модуль B = Fmax / Pm .

Закон Био-Савара-Лапласа Действие мп на токи и заряды.

(Сила Амп. F~IДl sin б.макс. когда проводник перепенд линиям магн. индукции) закон взаимодействия электрических токов Закон Ампера F=IBДl sin б. Когда в мп вносят проводник (сила, действующая на участок проводника, пропорциональна силе тока I, длине Дl этого участка и синусу угла б между направлениями тока и вектора магнитной индукции) Напр. правилом буравчика. Раписывая по вект произвед. З.Ампера

Магн. поле действует на каждый движ-ся заряд в эл-те dl, а от них передается проводнику.

Сила Лоренца -- сила, с которой электромагнитное поле действует на точечную заряж. частицу. FЛ = q х B sin б. Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам н и B.

Поток вектора B - хар-ет величину индукции в данном месте (значение напр. B = Fmax / Pm), это кол-во силовых линий проходящих через всю поверхность. изм в Вб=Тл м2

Через площадку перепенд. Проводят столько линий, какова индукция в данном месте.

Циркуляция B по замкн. контуру, равна току, охваченному контуром, умноженному на магнитную постоянную. Bl проекция B на касательную к контуру.

Если кон. Не охватывает ток то цирк.=0. Если охв. неск. токов, то цирк-я равна (I+I+…I)м

Линии магнитной индукции непрерывны. Векторные поля, обладающие непрерывными линиями, получили название вихревых полей. Магнитное поле есть вихревое поле. В этом заключается существенное отличие магнитного поля от электростатического.

Электромагнитная индукция -- явление возникновения электрического тока(индукционного) в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Возникновение ЭДС связано с вихревым эл. полем. Величина ЭДС отвечающего за ток(еi):

электрический заряд индукция поле

Закон Фарадея. Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур, взятого со знаком минус

Минус по правилу Ленца: Индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

Самоиндукция --возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока. При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. (..Ток самоиндукции при замыкании направлен противоположно.)

Величина ЭДС самоиндукции Индуктивность численно равна эдс самоиндукции, возникающей в проводнике при изменении силы ток на единицу силы тока (1 А) за единицу времени (1с). 1Гн = 1Вб / 1А

Энергия магн. поля Вихревые токи или токи Фуком - вихревые индукционные токи, возникающие в проводниках при изменении пронизывающего их магнитного поля. Фуко также открыл явление нагревания металлических тел, вращаемых в магнитном поле, вихревыми токами. В соответствии с правилом Ленца токи выбирают внутри проводника такое направление и путь, чтобы противиться причине, вызывающей их.

Электромагнимтное помле -- фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны -- распространяющееся в пространстве возмущение электромагнитного поля.

Вихревое эл. поле.Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.

Ток смещения или абсорбционный ток -- величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции.