Раздел – ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ФИЗИКА – НАУКА О ПРИРОДЕ. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИКА – НАУКА, ИЗУЧАЮЩАЯ ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИИ – ВЕЩЕСТВА И ПОЛЯ. Первый шаг при выбранной концепции построения курса физики – Механика рассматривала физические модели: материальная точка и абсолютно твердое тело, не вникая во внутреннюю структуру. Следующий шаг в познании свойств материи – Статистическая физика устанавливает из каких частей (атомов и молекул) состоит тело, и как эти части взаимодействуют между собой.

Поскольку атомы построены из электрически заряженных частиц (электронов и ядер), то следующий шаг в познании строения вещества – исследование электромагнитных взаимодействий. Электричество Электростатика Постоянный ток Электромагнетизм

Исторический очерк. Электрические явления были известны в глубокой древности. 1) Порядка 500 лет до нашей эры Фалес Милетский обнаружил, что потертый шерстью янтарь притягивает легкие пушинки. Его дочь пыталась почистить шерстью янтарное веретено и обнаружила этот эффект. От слова «электрон», означающий по-гречески «янтарь» и произошел термин «электричество». Термин ввел английский врач Гильберт в XVI веке. Он обнаружил, что еще ряд веществ электризуется. 2) При раскопках древнего Вавилона (4000 лет назад) обнаружены сосуды из глины, содержащие железный и медный стержни. На дне битум – изолирующий материал. Стержни разъедены лимонной или уксусной кислотой, то есть находка напоминает гальванический элемент. 3) Золотое покрытие вавилонских украшений можно объяснить только гальваническим способом их нанесения.

Электростатика – раздел физики, изучающий взаимодействие и свойства систем электрических зарядов неподвижных относительно выбранной инерциальной системы отсчета. Электрический заряд – мера электрических свойств тел или их составных частей. Термин ввел Б.Франклин в 1749 г. Он же – «батарея», «конденсатор», «проводник», «заряд», «разряд», «обмотка».

Свойства электрических зарядов 1) В природе существуют 2 рода электрических зарядов: положительные (стекло кожа), отрицательные (янтарь шерсть). Между одноименными электрическими зарядами действуют силы отталкивания, а между разноименными – силы притяжения.

Выбор наименований зарядов исторически случаен. Безусловный смысл имеет только различие знаков заряда. Законы не изменились бы, если бы положительные заряды переименовали в отрицательные и наоборот: законы взаимодействия зарядов симметричны к замене + q на – q.

Фундаментальное свойство – наличие зарядов в двух видах – то, что заряды одного знака отталкиваются, а противоположного – притягиваются. Причина этого современной теорией не объяснена. Существует мнение, что положительные и отрицательные заряды – это противоположное проявление одного качества.

Свойства электрических зарядов 2) Закон сохранения заряда – фундаментальный закон (экспериментально подтвержден Фарадеем в 1845 г.) Полный электрический заряд изолированной системы есть величина постоянная. Полный электрический заряд – сумма положительных и отрицательных зарядов, составляющих систему. Под изолированной в электрическом поле системой понимают систему, через границы которой не может пройти никакое вещество, кроме света.

В соответствии с законом сохранения заряда разноименные заряды рождаются и исчезают попарно: сколько родилось (исчезло) положительных зарядов, столько родилось (исчезло) отрицательных зарядов. Два элементарных заряда противоположных знаков в соответствии с законом сохранения заряда всегда рождаются и исчезают одновременно. Пример: электрон и позитрон, встречаясь друг с другом, аннигилируют, рождая два или более гамма-фотонов. e – + e + 2.

Свет может входить и выходить из системы, не нарушая закона сохранения заряда, так как фотон не имеет заряда; при фотоэффекте возникают равные по величине положительные и отрицательные заряды, а фотон исчезает. И наоборот, гамма-фотон, попадая в поле атомного ядра, превращается в пару частиц – электрон и позитрон. e – + e +.

Свойства электрических зарядов 3) Электрический заряд – инвариант, его величина не зависит от выбора системы отсчета. 4)Электрический заряд – величина релятивистки инвариантная, не зависит от того движется заряд или покоится. 5) Квантование заряда, электрический заряд дискретен, его величина изменяется скачком. Опыт Милликена (1910 – 1914 гг.) q = n e, где n целое число. Заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда е = 1, Кл (Кулон).

Суммарный заряд элементарных частиц, если частица им обладает, равен элементарному заряду. Наименьшая частица, обладающая отрицательным элементарным электрическим зарядом, – электрон, m e = 9,11· кг, Наименьшая частица, обладающая положительным элементарным электрическим зарядом, – позитрон, m р = 1,67· кг. Таким же зарядом обладает протон, входящий в состав ядра. Равенство зарядов электрона и протона справедливо с точностью до одной части на То есть фантастическая степень точности. Причина неясна.

Более точно: установлено, что элементарные частицы представляют собой комбинацию частиц с дробным зарядом – кварков, имеющих заряды и. В свободном состоянии кварки не обнаружены.

Свойства электрических зарядов 6) Различные тела в классической физике в зависимости от концентрации свободных зарядов делятся на проводники (электрические заряды могут перемещаться по всему их объему), диэлектрики (практически отсутствуют свободные электрические заряды, содержит только связанные заряды, входящие в состав атомов и молекул), полупроводники (по электропроводящим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками).

Свойства электрических зарядов Проводники делятся на две группы: 1) проводники первого рода (металлы), в которых перенос зарядов (свободных электронов) не сопровождается химическими превращениями, 2) проводники второго рода (растворы солей, кислот), перенос зарядов (+ и ионов) в них сопровождается химическими изменениями.

Свойства электрических зарядов 7) Единица электрического заряда в СИ [1 Кл] – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. q = I·t.

Закон Кулона – основной закон электростатики Описывает взаимодействие точечных зарядов. Точечный заряд сосредоточен на теле, линейные размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных тел. Точечный заряд, как физическая модель, играет в электростатике ту же роль, что и материальная точка и абсолютно твердое тело в механике, идеальный газ в молекулярной физике, равновесные процессы и состояния в термодинамике. Закон впервые был открыт в 1772 г. Кавендишем.

Закон Кулона В 1785 г. Шарль Огюстен Кулон экспериментальным путем с помощью крутильных весов определил: сила взаимодействия F двух неподвижных точечных зарядов пропорциональна величине каждого из зарядов q 1, q 2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния r между ними r k – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранной системы единиц.

Закон Кулона В опытах определялся вращающий момент: Сам Кавендиш, работы которого остались неизвестными, еще в 1770 г. получил «закон Кулона» с большей точностью. r

Закон Кулона Сила направлена по прямой, соединяющей взаимодействующие заряды. Кулоновская сила является центральной силой.

Закон Кулона в векторном виде Сила – величина векторная. Поэтому запишем закон Кулона в векторном виде. 1) Для произвольно выбранного начала отсчета.

Закон Кулона в векторном виде 2) Начало отсчета совпадает с одним из зарядов.

Закон Кулона Закон Кулона выполняется при расстояниях м < r < 4·10 4 км. В системе СИ: k = = 9·10 9 [ м / Ф]. В системе СГС: k = 1. ε 0 = 8,85·10 -12,[Ф / м] – электрическая постоянная.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля Поле – форма материи, обуславливающая взаимодействие частиц вещества. Электрическое поле – особая форма существования материи, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Электростатическое поле - поле, посредством которого осуществляется кулоновское взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Является частным случаем электромагнитного поля.

Пробный точечный положительный заряд q 0 используют для обнаружения и исследования электростатического поля. q 0 не вызывает заметного перераспределения зарядов на телах, создающих поле. Силовая характеристика электростатического поля определяет, с какой силой поле действует на единичный положительный точечный заряд q 0. Такой характеристикой является напряженность электростатического поля.

Напряженность электрического поля – физическая величина, определяемая силой, действующей на пробный точечный положительный заряд q 0, помещенный в эту точку поля. q – источник поля. q 0+ – пробный заряд.

Напряженность электростатического поля в данной точке численно равна силе, действующей на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля.

Зная напряженность поля в какой-либо точке пространства, можно найти силу, действующую на заряд, помещенный в эту точку: Это другой вид закона Кулона, который и вводит понятие электрического поля, создающееся зарядами во всем окружающем пространстве, а также представляет закон действия данного поля на любой заряд.

Напряженность поля точечного заряда в вакууме. q – источник поля, q 0+ – пробный заряд.

Напряженность электрического поля E совпадает с направлением силы F, действующей на пробный заряд q 0+. Поле создается положительным зарядом – вектор напряженности электрического поля E направлен от заряда. Поле создается отрицательным зарядом – вектор напряженности электрического поля E направлен к заряду.

Напряженность электрического поля СИ: E измеряется в [1 Н /Кл = 1 В/м] – это напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой 1 Н.

Принцип суперпозиции напряженности электрического поля Опытно установлено, что взаимодействие двух зарядов не зависит от присутствия других зарядов. В соответствии с принципом независимости действия сил: на пробный заряд, помещенный в некоторую точку, будет действовать сила F со стороны всех зарядов q i, равная векторной сумме сил F i, действующих на него со стороны каждого из зарядов.

Принцип суперпозиции напряженности электрического поля Напряженность электростатического поля, создаваемого системой точечных зарядов в данной точке, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в этой точке каждым из зарядов в отдельности.

Первый способ определения напряженности электрического поля Е – с помощью закона Кулона и принципа суперпозиции. Поле электрического диполя

Электрический диполь - система двух одинаковых по величине разноименных точечных зарядов, расстояние l между которыми значительно меньше расстояния до тех точек, в которых определяется поле. Ось диполя прямая, проходящая через оба заряда. l – плечо диполя – вектор, проведенный от отрицательного заряда к положительному. Дипольный момент:

Поле электрического диполя r >> l Диполь можно рассматривать как систему 2-х точечных зарядов. Молекула воды Н 2 О обладает дипольным моментом р = 6, Кл м. Вектор дипольного момента направлен от центра иона кислорода О 2 к середине прямой, соединяющей центры ионов водорода Н +.

Напряженность поля в точке, расположенной на оси диполя. E 1 – напряженность поля положительного заряда. E 2 – напряженность поля отрицательного заряда. В проекциях на ось x : E = E 1 – E 2

Напряженность поля в точке, расположенной на оси диполя.

Поле диполя убывает быстрее в зависимости от расстояния по сравнению с полем точечного заряда.

Напряженность поля диполя в точке, лежащей на перпендикуляре, восстановленном к его середине

Уравнения (3),(4), (6)(5):

Напряженность поля диполя в произвольной точке С, лежащей на расстоянии r от середины диполя О. Из точки М опускаем перпендикуляр на прямую NC, получаем точку К, в которую помещаем два точечных заряда + q и – q. Эти заряды нейтрализуют друг друга и не искажают поле диполя. Имеем 4 заряда, расположенных в точках M, N, K, которые можно рассматривать как два диполя: NK и MK.

Напряженность поля диполя в произвольной точке С, лежащей на расстоянии r от середины диполя О. l

Для диполя NK точка С лежит на его оси Для диполя МК точка С лежит на перпендикуляре

Уравнения (1), (2) (5):

В предельных случаях: а) если, то есть точка лежит на оси диполя, то получим б) если, то есть точка лежит на перпендикуляре к оси диполя, то получим

Линейная, поверхностная и объемная плотности зарядов Хотя электрический заряд дискретен, число его носителей в макроскопических телах столь велико, что можно ввести понятие плотности заряда, использовав представление о непрерывном «размазанном» распределении заряда в пространстве.

Линейная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу длины. Поверхностная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу площади. Объемная плотность заряда: заряд, приходящийся на единицу объема.

Линейная, поверхностная и объемная плотности зарядов Поле