Osnovni koncepti. Električno punjenje. Zakon održanja električnog naboja. Coulombov zakon. Princip superpozicije. Teorija djelovanja kratkog dometa. Potencijal električnog polja. Kondenzator. Elektrostatika. Osnovni principi i zakoni koji opisuju ovaj dio fizike

... Sva predviđanja elektrostatike proizlaze iz njena dva zakona.
Ali jedno je matematički izraziti te stvari, a sasvim drugo
primijenite ih s lakoćom i s pravom dozom duhovitosti.
Richard Feynman

Elektrostatika proučava interakciju stacionarnih naelektrisanja. Ključni eksperimenti u elektrostatici izvedeni su u 17. i 18. veku. Sa otkrićem elektromagnetnih fenomena i revolucijom u tehnologiji koju su oni proizveli, interes za elektrostatiku je izgubljen na neko vrijeme. Međutim, savremena naučna istraživanja pokazuju ogroman značaj elektrostatike za razumevanje mnogih procesa žive i nežive prirode.

Elektrostatika i život

Godine 1953. američki naučnici S. Miller i G. Urey pokazali su da se jedan od "građevinskih blokova života" - aminokiseline - može dobiti propuštanjem električnog pražnjenja kroz plin sličan po sastavu primitivnoj atmosferi Zemlje, koji se sastoji od metana, amonijaka, vodonika i vodene pare. U narednih 50 godina, drugi istraživači su ponavljali ove eksperimente i dobili iste rezultate. Kada se kratki impulsi struje prođu kroz bakterije, u njihovoj ljusci (membrani) se pojavljuju pore kroz koje mogu proći fragmenti DNK drugih bakterija, pokrećući jedan od mehanizama evolucije. Dakle, energija potrebna za nastanak života na Zemlji i njegovu evoluciju bi zaista mogla biti elektrostatička energija munje (slika 1).

Kako elektrostatika uzrokuje munje

U svakom trenutku, oko 2.000 munja bljesne na različitim tačkama na Zemlji, oko 50 munja udari u Zemlju svake sekunde, a svaki kvadratni kilometar Zemljine površine u prosjeku šest puta godišnje pogodi grom. Još u 18. veku, Benjamin Franklin je dokazao da su munje koje udaraju iz grmljavinskih oblaka električna pražnjenja koja nose negativan naplatiti. Štaviše, svako od pražnjenja napaja Zemlju sa nekoliko desetina kulona električne energije, a amplituda struje prilikom udara groma kreće se od 20 do 100 kiloampera. Brze fotografije pokazale su da udar groma traje samo desetinke sekunde i da se svaka munja sastoji od nekoliko kraćih.

Pomoću mjernih instrumenata instaliranih na atmosferskim sondama, početkom 20. vijeka izmjereno je Zemljino električno polje, čija je jačina na površini bila približno 100 V/m, što odgovara ukupnom naboju planete oko 400.000 C. Nositelj naboja u Zemljinoj atmosferi su ioni čija koncentracija raste s visinom i dostiže maksimum na visini od 50 km, gdje se pod utjecajem kosmičkog zračenja formirao elektroprovodljivi sloj - jonosfera. Stoga možemo reći da je Zemljino električno polje polje sfernog kondenzatora primijenjenog napona od oko 400 kV. Pod uticajem ovog napona iz gornjih slojeva u donje sve vreme teče struja od 2–4 kA, čija je gustina (1–2) 10–12 A/m 2, a energija se oslobađa. do 1,5 GW. A da nije bilo munje, ovo električno polje bi nestalo! Ispostavilo se da se po lijepom vremenu električni kondenzator Zemlje prazni, a za vrijeme grmljavine puni.

Grmljavinski oblak je ogromna količina pare, od kojih se neke kondenzovale u sitne kapljice ili ledene plohe. Vrh grmljavinskog oblaka može biti na visini od 6-7 km, a dno može visjeti iznad tla na visini od 0,5-1 km. Iznad 3-4 km, oblaci se sastoje od ledenih ploča različitih veličina, jer je tamo temperatura uvijek ispod nule. Ovi komadi leda su u stalnom kretanju, uzrokovani rastućim strujama toplog zraka koji se dižu odozdo sa zagrijane površine zemlje. Mali komadi leda su lakši od velikih, a odnesu ih rastuće vazdušne struje i usput se sudaraju sa velikim. Sa svakim takvim sudarom dolazi do elektrifikacije, u kojoj su veliki komadi leda nabijeni negativno, a mali - pozitivno. S vremenom se pozitivno nabijeni mali komadi leda skupljaju uglavnom u gornjem dijelu oblaka, a negativno nabijeni veliki - na dnu (slika 2). Drugim riječima, vrh oblaka je nabijen pozitivno, a donji - negativno. U ovom slučaju, pozitivni naboji se induciraju na tlu direktno ispod grmljavinskog oblaka. Sada je sve spremno za pražnjenje groma, u kojem dolazi do sloma zraka i negativni naboj sa dna grmljavinskog oblaka teče na Zemlju.

Tipično je da prije grmljavine jačina Zemljinog električnog polja može dostići 100 kV/m, odnosno 1000 puta veća od njegove vrijednosti po lijepom vremenu. Kao rezultat toga, pozitivni naboj svake dlake na glavi osobe koja stoji ispod grmljavinskog oblaka povećava se za istu količinu, a oni, odgurujući se jedni od drugih, dižu se na glavi (slika 3).

Fulgurit - trag munje na tlu

Prilikom pražnjenja groma oslobađa se energija reda veličine 10 9 –10 10 J. Najveći dio te energije troši se na grmljavinu, zagrijavanje zraka, bljesak svjetlosti i emisiju drugih elektromagnetnih valova, a samo mali dio se oslobađa. na mestu gde munja ulazi u zemlju. Ali čak i ovaj “mali” dio je dovoljan da izazove požar, ubije osobu ili uništi zgradu. Munja može zagrijati kanal kroz koji se kreće do 30.000°C, što je mnogo više od tačke topljenja pijeska (1600-2000°C). Zbog toga munja, udarajući u pijesak, topi ga, a vrući zrak i vodena para, šireći se, formiraju cijev od rastopljenog pijeska, koja nakon nekog vremena stvrdne. Tako nastaju fulguriti (gromovine, đavolji prsti) – šuplji cilindri od rastopljenog peska (sl. 4). Najduži iskopani fulguriti otišli su pod zemlju do dubine od više od pet metara.

Kako elektrostatika štiti od groma

Srećom, većina udara groma se događa između oblaka i stoga ne predstavljaju prijetnju ljudskom zdravlju. Međutim, vjeruje se da grom svake godine ubije više od hiljadu ljudi širom svijeta. Barem u Sjedinjenim Državama, gdje se vodi ovakva statistika, svake godine oko hiljadu ljudi pati od udara groma, a više od stotinu njih umre. Naučnici su dugo pokušavali da zaštite ljude od ove “božije kazne”. Na primjer, izumitelj prvog električnog kondenzatora (Leyden tegle), Pieter van Muschenbrouck, u članku o elektricitetu napisanom za čuvenu Francusku enciklopediju, branio je tradicionalne metode sprječavanja munje - zvonjavu zvona i pucanje iz topova, za koje je vjerovao da su prilično učinkovite. .

Godine 1750. Franklin je izumio gromobran. U pokušaju da zaštiti zgradu glavnog grada Marylanda od udara groma, pričvrstio je debelu željeznu šipku na zgradu, koja se protezala nekoliko metara iznad kupole i spojila sa zemljom. Naučnik je odbio da patentira svoj izum, želeći da počne da služi ljudima što je pre moguće. Mehanizam djelovanja gromobrana je lako objasniti ako se sjetimo da se jačina električnog polja u blizini površine nabijenog vodiča povećava sa povećanjem zakrivljenosti ove površine. Stoga će ispod grmljavinskog oblaka u blizini vrha gromobrana jačina polja biti tolika da će izazvati jonizaciju okolnog zraka i koronsko pražnjenje u njemu. Kao rezultat toga, vjerovatnoća da će grom udariti u gromobran značajno će se povećati. Tako je znanje o elektrostatici omogućilo ne samo da se objasni porijeklo munja, već i da se pronađe način zaštite od njih.

Vijest o Franklinovom gromobranu brzo se proširila Evropom, te je izabran u sve akademije, uključujući i rusku. Međutim, u nekim zemljama pobožno stanovništvo pozdravilo je ovaj izum sa ogorčenjem. Sama ideja da bi osoba mogla tako lako i jednostavno ukrotiti glavno oružje Božjeg gnjeva činila se bogohulom. Stoga su na različitim mjestima ljudi, iz pobožnih razloga, lomili gromobrane.

Zanimljiv incident dogodio se 1780. godine u malom gradu na sjeveru Francuske, gdje su građani zahtijevali da se gvozdeni gromobran sruši i stvar je došla na suđenje. Mladi advokat, koji je branio gromobran od napada mračnjaka, svoju odbranu zasnivao je na činjenici da su i ljudski um i njegova sposobnost da savlada sile prirode božanskog porekla. Sve što pomaže u spašavanju života je za dobro, tvrdi mladi advokat. Dobio je slučaj i stekao veliku slavu. Advokat se zvao... Maksimilijan Robespjer.

E, sada je portret pronalazača gromobrana najpoželjnija reprodukcija na svijetu, jer krasi dobro poznatu novčanicu od sto dolara.

Elektrostatika koja vraća život

Energija iz pražnjenja kondenzatora ne samo da je dovela do pojave života na Zemlji, već može i vratiti život ljudima čije su srčane ćelije prestale da kucaju sinhrono. Asinhrona (haotična) kontrakcija srčanih ćelija naziva se fibrilacija. Fibrilacija srca može se zaustaviti propuštanjem kratkog impulsa struje kroz sve njegove ćelije. Da bi se to postiglo, na prsa pacijenta se primjenjuju dvije elektrode kroz koje se propušta puls u trajanju od oko deset milisekundi i amplitudom do nekoliko desetina ampera. U ovom slučaju, energija pražnjenja kroz sanduk može doseći 400 J (što je jednako potencijalnoj energiji kilograma težine podignute na visinu od 2,5 m). Uređaj koji pruža električni udar koji zaustavlja fibrilaciju srca naziva se defibrilator. Najjednostavniji defibrilator je oscilirajući krug koji se sastoji od kondenzatora kapaciteta 20 μF i zavojnice s induktivnošću od 0,4 H. Punjenje kondenzatora na napon od 1-6 kV i pražnjenje kroz zavojnicu i pacijenta, čiji je otpor oko 50 oma, možete dobiti strujni impuls neophodan da se pacijent vrati u život.

Elektrostatika koja daje svjetlost

Fluorescentna lampa može poslužiti kao zgodan indikator jačine električnog polja. Da biste to potvrdili, dok ste u mračnoj prostoriji, protrljajte lampu ručnikom ili šalom - kao rezultat toga, vanjska površina stakla lampe će biti nabijena pozitivno, a tkanina - negativno. Čim se to dogodi, vidjet ćemo bljeskove svjetlosti koji se pojavljuju na onim mjestima lampe koja dodirnemo napunjenom krpom. Mjerenja su pokazala da je jačina električnog polja unutar radne fluorescentne lampe oko 10 V/m. Pri ovom intenzitetu, slobodni elektroni imaju potrebnu energiju za jonizaciju atoma žive unutar fluorescentne lampe.

Električno polje ispod visokonaponskih dalekovoda - dalekovoda - može dostići vrlo visoke vrijednosti. Stoga, ako se noću fluorescentna lampa zabode u zemlju ispod dalekovoda, ona će upaliti, i to prilično jako (slika 5). Dakle, koristeći energiju elektrostatičkog polja, možete osvijetliti prostor ispod dalekovoda.

Kako elektrostatika upozorava na vatru i čini dim čistijim

U većini slučajeva, pri odabiru tipa javljača požara, prednost se daje detektoru dima, jer je požar obično praćen ispuštanjem velike količine dima i upravo je ovaj tip detektora u stanju da upozori ljude u zgrada o opasnosti. Detektori dima koriste ionizaciju ili fotoelektrični princip za detekciju dima u zraku.

Jonizacijski detektori dima sadrže izvor α-zračenja (obično americij-241) koji ionizira zrak između metalnih elektrodnih ploča, električni otpor između kojih se konstantno mjeri pomoću posebnog kola. Joni nastali kao rezultat α-zračenja osiguravaju provodljivost između elektroda, a mikročestice dima koje se tamo pojavljuju vežu se za ione, neutraliziraju njihov naboj i tako povećavaju otpor između elektroda, na što električni krug reagira alarmom. . Senzori zasnovani na ovom principu pokazuju vrlo impresivnu osjetljivost, reagirajući čak i prije nego što živo biće otkrije prvi znak dima. Treba napomenuti da izvor zračenja koji se koristi u senzoru ne predstavlja nikakvu opasnost za ljude, jer alfa zraci ne mogu proći ni kroz list papira i potpuno ih apsorbira sloj zraka debljine nekoliko centimetara.

Sposobnost čestica prašine da se naelektriziraju široko se koristi u industrijskim elektrostatičkim sakupljačima prašine. Plin koji sadrži, na primjer, čestice čađi, dižući se prema gore, prolazi kroz negativno nabijenu metalnu mrežu, zbog čega te čestice dobivaju negativan naboj. Nastavljajući da se dižu prema gore, čestice se nađu u električnom polju pozitivno nabijenih ploča, na koje se privlače, nakon čega čestice padaju u posebne posude odakle se povremeno uklanjaju.

Bioelektrostatika

Jedan od uzroka astme su otpadni produkti grinja (slika 6) - insekata veličine oko 0,5 mm koji žive u našoj kući. Istraživanja su pokazala da napade astme uzrokuje jedan od proteina koje ovi insekti luče. Struktura ovog proteina podsjeća na potkovicu, čija su oba kraja pozitivno nabijena. Elektrostatičke sile odbijanja između krajeva takvog proteina u obliku potkovice čine njegovu strukturu stabilnom. Međutim, svojstva proteina mogu se promijeniti neutralizacijom njegovih pozitivnih naboja. To se može učiniti povećanjem koncentracije negativnih jona u zraku pomoću bilo kojeg ionizatora, na primjer Chizhevsky luster (slika 7). Istovremeno se smanjuje učestalost napada astme.

Elektrostatika pomaže ne samo u neutralizaciji proteina koje luče insekti, već i u njihovom hvatanju. Već je rečeno da se kosa “naježi” ako je nabijena. Možete zamisliti šta insekti doživljavaju kada se nađu naelektrisani. Najtanje dlake na njihovim nogama razilaze se u različitim smjerovima, a insekti gube sposobnost kretanja. Na ovom principu zasniva se zamka za bubašvabe prikazana na slici 8. Žohare privlači slatki prah koji je prethodno elektrostatički naelektrisan. Puder (na slici je bijel) se koristi za pokrivanje kose površine oko trapa. Kada se nađu u prahu, insekti postaju nabijeni i kotrljaju se u zamku.

Šta su antistatici?

Odjeća, tepisi, prekrivači i sl. predmeti se pune nakon kontakta sa drugim predmetima, a ponekad i jednostavno mlazom zraka. U svakodnevnom životu i na poslu, naelektrisanja koja nastaju na ovaj način često se nazivaju statički elektricitet.

U normalnim atmosferskim uslovima, prirodna vlakna (pamuk, vuna, svila i viskoza) dobro upijaju vlagu (hidrofilna) i stoga blago provode električnu energiju. Kada se takva vlakna dodiruju ili trljaju o druge materijale, na njihovim površinama se pojavljuju suvišni električni naboji, ali za vrlo kratko vrijeme, jer se naboji odmah vraćaju kroz vlažna vlakna tkanine koja sadrži različite ione.

Za razliku od prirodnih vlakana, sintetička vlakna (poliester, akril, polipropilen) slabo upijaju vlagu (hidrofobna), a na njihovim površinama ima manje mobilnih jona. Kada sintetički materijali dođu u dodir jedni s drugima, nabijaju se suprotnim nabojima, ali pošto se ta naelektrisanja vrlo sporo odvode, materijali se lijepe jedan za drugi, stvarajući neugodnost i nelagodu. Inače, kosa je po strukturi vrlo bliska sintetičkim vlaknima, a i hidrofobna je, pa se u dodiru, na primjer, s češljem, naelektriše i počinje se međusobno odbijati.

Da biste se riješili statičkog elektriciteta, površina odjeće ili drugih predmeta može se podmazati supstancom koja zadržava vlagu i time povećava koncentraciju mobilnih iona na površini. Nakon takvog tretmana, nastali električni naboj brzo će nestati s površine predmeta ili će se rasporediti po njemu. Hidrofilnost površine može se povećati podmazivanjem površinski aktivnim tvarima, čije su molekule slične molekulama sapuna – jedan dio vrlo dugačke molekule je nabijen, a drugi nije. Supstance koje sprečavaju pojavu statičkog elektriciteta nazivaju se antistatičkim agensima. Na primjer, obična ugljena prašina ili čađa je antistatičko sredstvo, stoga, kako bi se riješili statičkog elektriciteta, takozvana crna lampa uključena je u impregnaciju tepiha i materijala za presvlake. U iste svrhe takvim materijalima se dodaje do 3% prirodnih vlakana, a ponekad i tankih metalnih niti.

Elektrostatika je proučavanje električnih naboja u mirovanju i elektrostatičkih polja povezanih s njima.

1.1. Električni naboji

Osnovni koncept elektrostatike je koncept električnog naboja.

Električno punjenje je fizička veličina koja određuje intenzitet elektromagnetne interakcije.

Jedinica električnog naboja - privjesak (Cl) – električni naboj koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča pri jakosti struje od 1 amper u 1 sekundi.

Svojstva električnog naboja:

postoje pozitivni i negativni naboji;

električni naboj se ne menja kada se njegov nosilac kreće, tj. je invarijantna veličina;

električni naboj ima svojstvo aditivnosti: naelektrisanje sistema je jednako zbiru naelektrisanja čestica koje čine sistem;

Svi električni naboji su višekratnici elementarnog naboja:

Gdje e = 1,6  10 -19 Cl;

ukupni naboj izolovanog sistema je očuvan - zakon održanja naelektrisanja.

Elektrostatika koristi fizički model - tačkasti električni naboj – nabijeno tijelo čiji oblik i dimenzije nisu bitni u ovom problemu.

1.2. Coulombov zakon. Električno polje

Interakcija tačkastih naboja, tj. određuju se one čije se veličine mogu zanemariti u odnosu na razmake između njih Coulombov zakon : sila interakcije između dva stacionarna točkasta naboja u vakuumu direktno je proporcionalna veličini svakog od njih, obrnuto proporcionalna kvadratu udaljenosti između njih i usmjerena duž linije koja povezuje naboje:

Gdje
- jedinični vektor usmjeren duž linije koja povezuje naboje.

Smjer vektora Kulonove sile prikazan je na sl. 1.

Fig.1. Interakcija tačkastih naboja

U SI sistemu

Gdje  0 = 8,85  10 -12 F/m– električna konstanta

Ako su međusobno naboji u izotropnom mediju, onda je Kulonova sila:

gdje  - dielektrična konstanta medija– bezdimenzionalna veličina koja pokazuje koliko je puta interakcijska sila F između naboja u datom mediju manja od njihove interakcijske sile u vakuumu F 0 :

Zatim Coulombov zakon u SI sistemu:

Force je usmjerena duž prave linije koja povezuje naboje u interakciji, tj. je centralno i odgovara privlačnosti ( F<0 ) u slučaju suprotnih naboja i odbijanja ( F>0 ) u slučaju optužbi istog imena.

Dakle, prostor u kojem se nalaze električni naboji ima određena fizička svojstva: na svaki naboj koji se nalazi u ovom prostoru djeluju električne sile.

Prostor u kojem djeluju električne sile naziva se električno polje.

Izvor elektrostatičkog polja su stacionarni električni naboji. Svako nabijeno tijelo stvara električno polje u okolnom prostoru. Ovo polje djeluje određenom silom na naelektrisanje uneseno u njega. Slijedom toga, interakcija nabijenih tijela se odvija prema sljedećoj shemi:

naplatiti polje naplatiti.

dakle, električno polje - ovo je jedan od oblika materije, čije je glavno svojstvo da prenosi djelovanje jednog nabijenog tijela na drugo.

Elektrostatika, grana teorije elektriciteta koja proučava interakciju stacionarnih električnih naboja. Elektrostatika, koja proučava stacionarnu interakciju sila između makroskopskih stacionarno nabijenih tijela, temelji se na tri eksperimentalno utvrđene činjenice: prisutnosti dvije vrste električnih naboja, postojanju interakcije između njih koju vrši električno polje i principu superpozicije, kada interakcija bilo koja dva naboja ne zavisi od prisustva drugih.

Postoje dvije vrste naboja, pozitivne, označene znakom plus "+", i negativne, označene znakom minus "-". Naelektrisanja stvaraju električno polje oko sebe. Polje stacionarnog naelektrisanja je elektrostatičko polje. Električni naboj i električno polje su primarni koncepti elektrostatike.

Ukupni naboj tijela, i pozitivan i negativan, uvijek je višekratnik nekog elementarnog električnog naboja. U elektrostatici se proučavaju fizičke veličine prosječne u prostoru i vremenu. Pri usrednjavanju u prostoru koriste se uobičajene metode fizike kontinuuma; usrednjavanje tokom vremena omogućava da se naelektrisanja u toplotnom kretanju smatraju stacionarnim. Pozitivni i negativni naboji su komponente molekula, a sva makroskopska tijela sadrže ogroman broj pozitivnih i negativnih naboja, ali o elektrostatičkoj interakciji se govori samo kada tijelo ima višak naboja istog znaka. Naboj makroskopskog tijela određen je ukupnim nabojem elementarnih čestica koje čine ovo tijelo. Usrednjavanje omogućava razmatranje ne samo pojedinačnih naboja, već i uvođenje ideje o volumetrijskoj gustoći naboja. Zakon održanja naelektrisanja kaže da se naelektrisanje održava u zatvorenom sistemu.

Mjera električnog polja koje vrši interakciju naelektrisanja u bilo kojoj tački je intenzitet. Električno polje se prikazuje pomoću linija sile - linija čija se tangentna linija poklapa sa smjerom jačine polja. Jačina polja u bilo kojoj tački proporcionalna je veličini formirajućeg naboja, stoga je, u principu, moguće dodijeliti određeni ograničeni broj linija polja elementarnom naboju.

Električni naboji istog znaka se međusobno odbijaju, naboji suprotnog predznaka se međusobno privlače. Princip rada elektrometra je zasnovan na ovom fenomenu. Registracija interakcija naboja uvijek se vrši na udaljenostima znatno većim od međuatomskih udaljenosti. Između električnih naboja, čija se veličina može zanemariti, djeluje sila čija je veličina određena Coulombovim zakonom. Coulombov zakon, osnovni zakon elektrostatike, određuje silu interakcije između stacionarnih točkastih naboja ovisno o njihovoj veličini i udaljenosti između njih.

Iz Coulombovog zakona slijedi da rad električnih sila pri kretanju naboja ne ovisi o putanji po kojoj se naboj kreće od jedne točke do druge, već je određen samo položajem tih tačaka u prostoru. Ako se jedna od tačaka odvede u beskonačnost, tada u svakoj tački možemo pridružiti električni potencijal, koji karakterizira rad koji je potrebno obaviti da bi se jedinični naboj prenio iz beskonačnosti u datu tačku. Ako povežemo sve tačke sa istim potencijalom u električnom polju, dobićemo površinu jednakih potencijala, odnosno ekvipotencijalnu površinu.

Princip superpozicije električnih polja jedan je od osnovnih principa elektrostatike i predstavlja generalizaciju mnogih zapažanja. U skladu sa principom superpozicije, električni intenzitet E polja nekoliko stacionarnih tačkastih naelektrisanja q1, q2, q3...jednaka je vektorskom zbiru jačine polja koju bi svaki od ovih naboja stvorio u odsustvu ostalih. U stvari, to znači da prisustvo drugih naelektrisanja ne utiče na polje koje stvara dato naelektrisanje.

Zakon interakcije električnih naboja može se formulisati kao Gaussov teorem, koji se može smatrati posljedicom Coulombovog zakona i principa superpozicije. Tipični problemi elektrostatike su pronalaženje raspodjele naelektrisanja na površinama provodnika na osnovu poznatih ukupnih naelektrisanja ili potencijala svakog od njih, kao i izračunavanje energije sistema provodnika iz njihovih naelektrisanja i potencijala. Elektrostatika također proučava ponašanje različitih materijala - provodnika i dielektrika - u električnom polju.

Elektrostatika je grana nauke o elektricitetu koja proučava stacionarna električna naelektrisanja. Zasnovan je na 3 glavne činjenice: postojanju dvije vrste naboja, prisutnosti interakcije između njih i principu superpozicije (na interakciju dva naboja ne utječe treći).

I tako u prirodi postoje dvije vrste električnih naboja. Uobičajeno, jednom od njih je dodijeljen znak plus "+", a drugom znak minus "-". Oko ovih naboja postoji električno polje, a ako su ta naelektrisanja stacionarna, onda se polje naziva elektrostatičko.

Slika 1 Negativni i pozitivni naboji.

Električni naboj je diskretna veličina. Odnosno, sastoji se od elementarnih naboja određene veličine. A ukupni naboj bilo kojeg tijela je višestruki od ovog elementarnog naboja.

Pri proučavanju naelektrisanja u elektrostatici koriste se metode usrednjavanja, kako u vremenu tako iu prostoru. Ovo nam omogućava da naelektrisanja u haotičnom toplotnom kretanju smatramo stacionarnim.

Svi naboji, i pozitivni i negativni, dio su molekula tvari. Dakle, svako tijelo ima veliki broj naboja. Ali fenomen interakcije elektrostatičkih naboja može se uočiti samo ako tijelo ima višak (nedostatak) naboja istog znaka.

Zakon održanja naelektrisanja kaže da ako je sistem zatvoren, onda je ukupni naboj u njemu nepromenjen. Ove naknade se mogu rasporediti na bilo koji način unutar sistema, što neće uticati na naplatu sistema u celini.

Jedinica mjere za polje koje stvaraju električni naboji je intenzitet. Grafički je prikazan u obliku linija sile. Gustina linija polja ukazuje na veličinu jačine polja.

Slika 2 polje između različitih naboja.

Slični naboji se uvijek odbijaju, a različiti privlače. Između naboja veličina koje se mogu zanemariti (tačkasti naboji) djeluje takozvana Kulonova sila. Coulombov zakon određuje silu interakcije između dva električna naboja, ovisno o njihovoj veličini i udaljenosti između njih.

Formula 1 Coulombov zakon

Elektrostatičko polje je potencijalno. To znači da rad obavljen na pomicanju naboja s jedne tačke na drugu ne zavisi od oblika putanje naelektrisanja. Ako je jedna od tačaka beskonačna, onda se može uvesti koncept električnog potencijala. Određuje rad utrošen na pomicanje naboja iz beskonačnosti do određene tačke u prostoru.

I na kraju, hajde da pričamo o principu superpozicije polja. Suština principa je da će rezultujuće polje nekoliko tačkastih naboja biti vektorski zbir polja svakog od naboja posebno. Odnosno, polje trećeg naboja ne utiče na polja druga dva naelektrisanja.

Slika 3 princip superpozicije polja

Glavni problemi koje rješava elektrostatika su određivanje raspodjele naboja po površini, poznavanje potencijala površine ili njenog ukupnog naboja. Pronalaženje energije sistema provodnika, poznavanje njihovih naboja i potencijala. I također proučavanje ponašanja različitih tvari u električnom polju.

Osnovni pojmovi elektrostatike

Električni naboj (količina električne energije) je fizička skalarna veličina koja određuje sposobnost tijela da bude izvor elektromagnetnih polja i učestvuje u elektromagnetnoj interakciji. Svaki eksperimentalno uočen električni naboj je uvijek višekratnik elementarnog.Elementarni električni naboj je osnovna fizička konstanta, minimalni dio (kvant) električnog naboja. Jednako otprilike 1,602·10?19 C.

Zakon održanja električnog naboja kaže da je algebarski zbir naelektrisanja u električno zatvorenom sistemu očuvan.

Gustina naboja je količina naboja po jedinici dužine, površine ili zapremine, čime se definišu linearne, površinske i zapreminske gustine naelektrisanja, koje se mere u SI sistemu: u (tau)[C/m], u (d)[C / mÍ] i u [Kl/mí], respektivno. Gustoća naboja može imati i pozitivne i negativne vrijednosti, to je zbog činjenice da postoje pozitivni i negativni naboji.

Elektrostatika je grana nauke o elektricitetu koja proučava interakciju stacionarnih električnih naboja. Naboji u mirovanju međusobno djeluju kroz električno polje. F = 1/4P e0. · (|q1| · |q2|) / r2 (e0 ? 8,854187817 10?12 F/m) Ova interakcija je očuvana tokom kretanja naelektrisanja i vrši se pomoću magnetnog polja.

Električno polje je posebna vrsta materije koja postoji oko bilo kojeg električnog naboja i manifestira se djelovanjem na druge naboje. Napetost je karakteristika sile električnog polja. omjer sile F koja djeluje na stacionarni tačkasti naboj (V/m). Princip superpozicije polja: jačina polja koju stvara sistem naelektrisanja jednaka je geometrijskom zbiru jačina polja koje stvara svako naelektrisanje.

Jačina polja dipola u proizvoljnoj tački (prema principu superpozicije): gdje su + i - snage polja koje stvaraju pozitivni i negativni naboji, respektivno. Dipolni moment.

Zatezne linije su linije čije se tangente u svakoj tački poklapaju sa vektorom napetosti u datoj tački polja. Nikada se ne mogu zatvoriti u sebe. Oni nužno imaju početak i kraj, ili idu u beskonačnost. Usmjereni od pozitivnog do negativnog naboja, nikada se ne sijeku. Vektorski fluks napona (tj. Gaussian) ili En S za ravne površine.

Electrostat. t. Ostrogr.-Gauss FE=?q/E0. Za beskrajno uniformno punjenje ravan E= d/2 e0.

Diff. formu. Divergencija je jednaka broju zateznih linija koje izlaze (ulaze) u jediničnu zapreminu.

Rad sila elektrostatičkog polja pri kretanju naboja iz jedne tačke polja u drugu ne zavisi od oblika putanje, već je određen samo položajem početne i završne tačke i veličinom naelektrisanja. => potencijal polja. A snage su konzervativne. Za male pokrete?l:

Potencijal električnog polja q je omjer potencijalne energije električnog naboja u elektrostatičkom polju i veličine ovog naboja (Volt = 1 J / 1 C).

Rad A12 na pomjeranju električnog naboja q od početne točke (1) do krajnje točke (2) jednak je proizvodu naboja i potencijalne razlike (q1 - c2): A12 = Wp1 - Wp2 = qc1 - qc2 = q(c1 - c2) ili

Površina u svim tačkama čiji potencijal električnog polja ima iste vrijednosti naziva se ekvipotencijalna površina ili površina jednakog potencijala.

Provodnici u elektrostatici polje - E= d/E0. Veza E sa gustinom. kod skoro svakog provodnika. Jačina polja svuda unutar provodnika mora biti nula E=0. Prema jednadžbi, to znači da potencijal unutar provodnika mora biti konstantan, tj. . Jer Postoji fenomen elektrostatičke indukcije, tj. razdvajanje naelektrisanja u provodniku uvedeno u elektrostatičko polje (E eksterno) sa formiranjem novog elektrostatičkog polja (E interno) unutar provodnika. Kada se nenabijeni provodnik uvede u vanjsko električno polje, slobodni naboji počinju da se kreću i nakon kratkog vremena dolaze u ravnotežu. Jačina polja na površini provodnika mora biti usmjerena normalno na površinu u svakoj tački.

Elektrostatička zaštita - Faradejev kavez, razlika potencijala može doseći milione volti, ali unutra neće biti polja.

Električni kapacitet. Brojčano jednak naboju q čija poruka provodniku, mjeri. njegov potencijal za 1. C = q /? c = C / U (F = C / V) Električni kapacitet provodnika ne zavisi od vrste supstance i naelektrisanja, već zavisi od njegovog oblika i veličine, kao i od na prisutnost drugih provodnika ili dielektrika u blizini. Stan od dvije provodne ploče koje se nalaze paralelno jedna s drugom na maloj udaljenosti u odnosu na veličinu ploča i odvojene su dielektričnim slojem. (ts1-ts2=?Edr =dd/E0, i S=q/?ts, gdje je q=dS => C=E E0S/d)

Paralelni (C = C1 + C2) naponi na kondenzatorima su isti: U1 = U2 = U, a naelektrisanja su q1 = C1U i q2 = C2U. Serijski (C=C1C2/C1+C2) naboji oba kondenzatora: q1 = q2 = q

Energija sistema ac. naplatiti (za 2)

Punjenje energije provodnika, cjelokupna zapremina provodnika je ekvipotencijalna => vosp. prethodna formula

jer C=q/ts onda =>

Energija naelektrisanog provodnika (bez obzira na predznak naelektrisanja) je uvek pozitivna

Rad obavljen pri punjenju kondenzatora će odrediti njegovu električnu energiju. Električna energija nabijenog kondenzatora određena je istim formulama koje su dobivene za nabijeni provodnik, ako u njima q, C i U određuju naboj na pločama kondenzatora, kapacitet kondenzatora i potencijalnu razliku između kondenzatora ploče. Dakle, energija napunjenog kondenzatora je jednaka

Energija električnog polja. Zamjena izraza za kapacitivnost u formulu za energiju kondenzatora daje: Kvocijent U/d jednak je jačini polja u procjepu; proizvod S·d predstavlja zapreminu V koju zauzima polje. dakle,

Volumetrijska gustoća energije. Ako je polje uniformno, tada se energija sadržana u njemu raspoređuje u prostoru sa konstantnom gustoćom w.

Dielektrični materijali su oni čije je glavno električno svojstvo sposobnost polarizacije i u kojima može postojati elektrostatičko polje. Dielektrik smješten u vanjsko električno polje polarizira se pod utjecajem ovog polja. Polarizacija dielektrika je proces sticanja makroskopskog dipolnog momenta različitog od nule. Molekul se pretvara u dipol, gdje el. moment p=ql. Polarizacija se definira kao električni moment po jedinici volumena dielektrika

N je broj molekula. Odnos između p i gustine: d=2cosb=Pn

Električno polje u dielektriku. Neka je jačina električnog polja koje stvaraju ove ravni u vakuumu jednaka. Odnos između polarizacije i napona. gdje je diel osjetljivost (fizička veličina, mjera sposobnosti tvari da se polarizira pod utjecajem električnog polja) Diel. propusnost - aps. (prikazuje zavisnost električne indukcije od E). i rel.(e=Sx/C0), [F/m] i bezdimenzionalno. respektivno. Vektor električne indukcije D=e0E+P

Polarizaciona elektronska teorija - pomeranje elektronskih omotača atoma pod uticajem spoljašnjeg električnog polja. Električno se pojavljuje. dielektrični moment. U nepolarnom oni kazu Obrtni moment = 0, polarno. ex. od 0.

Dipol (Orijentacija) - javlja se sa gubicima u savladavanju sila sprezanja i unutrašnjeg trenja. Povezano s orijentacijom dipola u vanjskom električnom polju. -> na vazduhu. lok. polja mijenjaju orijentaciju. stvoreni molekuli momenat

Jonski - pomak čvorova kristalne rešetke pod utjecajem vanjskog električnog polja, a pomak je za iznos manji od konstante rešetke.

Feroelektrika - visoka (do 10k) e - isp. u kondenzatorima. Vektor D nije proporcionalan E. D= e e0E. Polar-I segn-zavisi u velikoj mjeri. Art. iz prethodnog stanja. polarizacija (dielektrična histerezna petlja). Diel. svojstva zavise od Curie tačke T, kada nestanu (-15 -- +22,5) ... Jednosmjerna struja se ne mijenja po veličini i smjeru tokom vremena.

Jačina struje je fizička veličina I, jednaka odnosu količine naelektrisanja koja prođe kroz određenu površinu tokom vremena i vrednosti ovog vremenskog perioda.Prema Ohmovom zakonu za deo kola, I = U/R

Pad napona je postepeno smanjenje napona duž vodiča jer provodnik ima aktivni otpor. To je također iznos za koji se potencijal mijenja kada se kreće iz jedne tačke u krugu u drugu. Prema Ohmovom zakonu, u dijelu provodnika sa aktivnim otporom R, struja I stvara pad napona U=IR.

Otpor je fizička veličina koja karakterizira svojstva vodiča da spriječi prolaz električne struje i jednaka je omjeru napona na krajevima vodiča i struje koja teče kroz njega.

Ohmov zakon u dif. f. ?-ud. električna provodljivost u integraciji. oblik JR=U+e e emf za nehomogene. dio lanca:

*R-gen. otpor heterogena područje) za zatvoreno krug I=e / R+ r e emf r+R ukupno. otpor

Kirchhoffovo prvo pravilo kaže da je algebarski zbir struja u svakom čvoru bilo kojeg kola jednak nuli.

Kirchhoffovo drugo pravilo: algebarski zbir pada napona na svim granama koje pripadaju bilo kojem zatvorenom kolu jednak je algebarskom zbiru EMF grana ovog kola.

Magnetno polje se stvara oko električnih naboja dok se kreću. Budući da kretanje električnih naboja predstavlja električnu struju, uvijek postoji magnetsko polje struje oko bilo kojeg provodnika koji nosi struju.

Ne radi dok miruje. naplatiti.

Pm=ISn mag. konturni moment, n pozicija. Normalno

Vektor magnetne indukcije B karakteristika snage mp. Modul B = Fmax / Pm.

Biot-Savart-Laplaceov zakon Djelovanje mp na struje i naelektrisanja.

(Jačina Amp. F~IDl sin b.max. kada je provodnik okomit na linije magnetne indukcije) zakon interakcije električnih struja Amperov zakon F=IBDl sin b. Kada se provodnik unese u mp (sila koja djeluje na presjek provodnika proporcionalna je jakosti struje I, dužina Dl ovog presjeka i sinus ugla b između smjera struje i vektora magnetske indukcije ) Na primjer. pravilo gimleta. Slikanje prema vrsti proizvoda. Z.Ampera

Magn. polje djeluje na svaki pokretni naboj u elementu dl, a od njega se prenosi na provodnik.

Lorentzova sila je sila kojom elektromagnetno polje djeluje na tačkasti naboj. čestica. FL = q x B sin b. Lorentzova sila je usmjerena okomito na vektore n i B.

Vektorski tok B - karakterizira količinu indukcije na određenoj lokaciji (vrijednost, na primjer, B = Fmax / Pm), to je broj linija sile koje prolaze kroz cijelu površinu. mjereno u Wb=T m2

Pređite platformu. Nacrtajte onoliko linija koliko je indukcija na datom mjestu.

Cirkulacija B po zatvorenom krugu kola jednaka je struji u kolu pomnoženoj sa magnetskom konstantom. Bl je projekcija B na tangentu konture.

Ako kon. Struja ne pokriva krug = 0. Ako je nekoliko struje, tada je circ-I jednak (I+I+…I)m

Linije magnetne indukcije su neprekidne. Vektorska polja sa neprekidnim linijama nazivaju se vrtložna polja. Magnetno polje je vrtložno polje. Ovo je značajna razlika između magnetnog i elektrostatičkog polja.

Elektromagnetna indukcija je pojava pojave električne struje (indukcije) u zatvorenom kolu kada se mijenja magnetni tok koji prolazi kroz njega. Pojava EMF-a je povezana sa vortex electric. polje. Veličina EMF-a odgovornog za struju (ei):

polje indukcije električnog naboja

Faradejev zakon. Za bilo koju zatvorenu petlju, inducirana elektromotorna sila (EMF) jednaka je brzini promjene magnetskog fluksa koji prolazi kroz ovu petlju, uzeta sa predznakom minus

Nedostatak prema Lenzovom pravilu: Inducirana struja je usmjerena tako da njeno magnetsko polje suprotstavlja promjenu magnetskog fluksa koji je uzrokuje.

Samoindukcija je pojava inducirane emf u provodnom kolu kada se struja koja teče kroz kolo promijeni. Kada se struja u kolu promijeni, magnetski tok kroz površinu ograničenu ovim krugom također se proporcionalno mijenja. Promjena ovog magnetskog fluksa, zbog zakona elektromagnetne indukcije, dovodi do pobude induktivne emf u ovom kolu. (..Struja samoindukcije tokom zatvaranja je usmjerena u suprotnom smjeru.)

Veličina emf samoindukcije Induktivnost je numerički jednaka emf samoindukcije koja se javlja u vodiču kada se jačina struje promijeni po jedinici jakosti struje (1 A) po jedinici vremena (1 s). 1Gn = 1Vb / 1A

Magnetna energija polja Vrtložne struje ili Foucombe struje su vrtložne indukcijske struje koje nastaju u provodnicima kada se promijeni magnetsko polje koje prodire u njih. Foucault je također otkrio fenomen zagrijavanja metalnih tijela rotiranih u magnetskom polju vrtložnim strujama. U skladu s Lenzovim pravilom, struje biraju smjer i putanju unutar provodnika tako da se suprotstave uzroku koji ih uzrokuje.

Elektromagnetno polje je osnovno fizičko polje koje stupa u interakciju sa električno nabijenim tijelima, kao i s tijelima koja imaju svoje dipolne električne i magnetske momente. To je kombinacija električnog i magnetnog polja. Elektromagnetski talasi su poremećaj elektromagnetnog polja koje se širi u svemiru.

Vortex el. Svaka promjena magnetskog polja stvara induktivno električno polje, bez obzira na prisustvo ili odsustvo zatvorenog kola, a ako je provodnik otvoren, tada na njegovim krajevima nastaje razlika potencijala; Ako je provodnik zatvoren, tada se u njemu opaža indukovana struja.

Struja pomaka ili struja apsorpcije je veličina koja je direktno proporcionalna brzini promjene električne indukcije.