Электростатика

Электростатика и электродинамика

Электростатика

Электродинамика как серьезный и многообразный раздел современной физики подразделяется на несколько основных направлений. Электродинамика призвана изучать понятие электрического заряда. Электрический заряд плотно связан с электромагнитным полем. Оно является его материальным источником возникновения.

Само электромагнитное поле представляет собой внутреннюю характеристику элементарных частиц, которые находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, что порождает разнообразные физические явления и свойства тел.

Электрический заряд является скалярной физической величиной и определяет электромагнитное взаимодействие.

Рисунок 1. Понятие электростатики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

По первой модели взаимодействия частиц любая заряженная частица способна возбуждать окружающее пространство вокруг себя. При этом любая другая частица, которая окажется в таком возмущенном пространстве, будет испытывать действие определенной силы. В этом случае принято рассматривать частицу, попавшую в электромагнитное поле.

Факт присутствия заряженной частицы обязательно должна быть связана с источником этой силы. В этом состоит электрическая составляющая особенности процесса. Магнитная основа будет связана с ее движением. Каждое заряженное тело можно рассматривать в виде совокупности заряженных частиц, которые могут создавать электромагнитное поле.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Электростатика – раздел электродинамики

Электростатика, как раздел электродинамики рассматривает взаимодействие неподвижных электрических зарядов, пропущенных сквозь электростатическое поле. Заряды являются неподвижными относительно другой системы отсчета, поэтому все выводы можно делать на приблизительном уровне, однако оно всегда движутся с некоторой скоростью относительно иной системы отсчета.

Всего принято различать два типа электрических зарядов:

  • положительные;
  • отрицательные.

В качестве носителей таких электрических зарядов могут быть элементарные частицы. В их состав должны непременно входить атомы. Все атомы состоят из:

  • отрицательного заряда (электрона);
  • положительного заряда (протона).

Им свойственны некоторые характерные черты. Единицей измерения заряда является кулон. Заряженным тело является, если оно содержит разное количество положительных и отрицательных элементарных частиц.

Для проявления электромагнитного поля необходимо действие электромагнитных сил. Оно заключается в формировании:

  • силы трения;
  • силы упругости;
  • действия электромагнитных сил на уровне элементарных частиц.

Изучая основы электростатики невозможно не остановиться на понятии электризации тел. Это способ получения заряженных частиц путем соприкосновения. В этом случае тела будут взаимно заряжаться, но они станут равны по модулю и противоположными по знаку заряда.

Основные понятия электростатики

Основным законом электростатики является закон Кулона. Он определяется, как сила взаимодействия двух неподвижных точечных заряженных тела. Она протекает в условиях вакуума и прямо пропорциональна произведению модулей заряда, а также обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Тела считаются точечными в тот момент, когда расстояние между ними гораздо больше размеров самих тел. Тела взаимодействуют согласно закону Кулона в том случае, если у них существует электрические заряды.

Напряженность электрического поля представляет собой определенную количественную характеристику электрического поля. Оно сочетает в себе признаки отношения силы. С таким параметром поле действует на точечный заряд. Его соотносят с величиной данного заряда.

Также напряженность поля не может лежать в зависимости от величины внесенного заряда. Оно только характеризует в общем все электрическое поле.

Направление вектора напряженности должно полностью совпадать с направлением силы вектора, который действует на положительный заряд, а также оно противоположно направлению силы, что действует на отрицательный заряд.

Силовые линии

Чтобы сформировать на теоретическом уровне понятие электрического поля пользуются составлением силовых линий. Подобные линии проводятся так, чтобы направление вектора напряженности в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии. Силовые линии могут обладать рядом характерных признаков и свойств.

Они не могут пересекаться в электростатическом поле. Эти линии оказываются направленными к отрицательным зарядам от положительных зарядов.Когда изображают силовые линии электрического поля прибегают к различной густоте из нанесения. Они должны быть соразмерны модулю вектора напряженности поля. Их густота увеличивается согласно напряженности и всегда ей пропорциональна.

В определенной точке пространства принято проводит всего одну силовую линию. Это связано с тем, что напряженность электрического поля в этой точке можно задать только однозначно.

Рисунок 2. Понятие электродинамики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Если электрическое поле однородно, тогда вектор напряженности также находится на одинаковом с ним уровне. Это проявляется во всех точках поля в пространстве. Такое поле создает плоский конденсатор-пластина. Они должны быть заряжены одинаковым количеством заряда, разделены слоем диэлектрика, однако это расстояние нужно создать меньше, чем размер самих пластин.

Электроемкость характеризует способность проводников накапливать электрический заряд в определенной точке. Она зависит от формы, взаимного расположения зарядов, размеров проводников, а также характерных свойств среды между проводниками.

Основные формулы электростатики выглядят следующим образом. Здесь представлены уравнения по взаимодействию зарядов, электрическому потенциалу, работе электростатического поля, электроемкости, а также напряженности электрического поля.

Рисунок 3. Основные формулы в электростатике. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также электродинамика изучает силовые линии электростатического поля, работу электростатического поля и эквипотенциальные поверхности. Также вводятся основы электрической цепи, законы постоянного тока, сопротивления и других определений, свойственных для этого раздела физики.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektrodinamika/elektrostatika_i_elektrodinamika/

Основы электротехники. Часть 1 электростатика

Электростатика

Ещё в Древней Греции было замечено, что натёртый мехом янтарь начинает притягивать мелкие частички – пыль и крошки. Долгое время (вплоть до середины 18 века) не могли дать серьёзного обоснования данного явления. Только в 1785 г.

Кулон, наблюдая за взаимодействием заряженных частиц, вывел основной закон их взаимодействия.

Примерно через полвека Фарадей исследован и систематизировал действие электрических токов и магнитных полей, а ещё через тридцать лет Максвелл обосновал теорию электромагнитного поля.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Электрический заряд

Впервые термин «электрический» и «электризация», как производные от латинского слова «electri» – янтарь, были введены в 1600 г. английским учёным У.

Гильбертом для объяснения явлений, которые возникают при натирании янтаря мехом или стекла кожей.

Таким образом, тела, которые обладают электрическими свойствами стали называть электрически заряженными, то есть им был передан электрический заряд.

Из выше сказанного следует, что электрический заряд – это количественная характеристика, показывающая степень возможного участия тела в электромагнитном взаимодействии. Заряд обозначается q или Q и имеет разрядность Кулон (Кл)

В результате многочисленных опытов были выведены основные свойства электрических зарядов:

  • существуют заряды двух типов, которые условно названы положительным и отрицательным;
  • электрические заряды могут передаваться от одного тела к другому;
  • одноимённые электрические заряды отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются друг к другу.

Взаимодействие зарядов.

Кроме того был установлен закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой (изолированной) системе остаётся постоянной

В 1749 г.

американский изобретатель Бенджамин Франклин выдвигает теорию электрических явлений, согласно которой электричество есть заряженная жидкость, недостаток которой он определил как отрицательное электричество, а избыток – положительное электричество. Так возник знаменитый парадокс электротехники: согласно теории Б.Франклина электричество течет от положительного к отрицательному полюсу.

Согласно современной теории строения веществ, все вещества состоят из молекул и атомов, которые в свою очередь состоят из ядра атома и вращающихся вокруг него электронов «e». Ядро является неоднородным и состоит в свою очередь из протонов «р» и нейтронов «n».

Причем электроны являются отрицательно заряженными частицами, а протоны положительно заряженными.

Так как расстояние между электронами и ядром атома значительно превышают размеры самих частиц, то электроны могут, отщепляются от атома, тем самым обуславливается перемещение электрических зарядов между телами.

Структура атома (литий).

Кроме вышеописанных свойств электрический заряд обладает свойством деления, но существует величина минимально возможного неделимого заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона (1,6*10-19 Кл), называемого также элементарным зарядом. В настоящее время доказано существование частиц с электрическим зарядом меньше элементарного, которые называются кварки, но время их существования незначительно и в свободном состоянии они не обнаружены.

Закон Кулона. Принцип суперпозиции

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов изучает раздел физики названный электростатикой, в основе которой фактически лежит закон Кулона, который был выведен на основе многочисленных опытов. Данный закон, также как и единица электрического заряда были названы в честь французского физика Шарля Кулона.

Кулон проводя свои опыты установил, что сила взаимодействия между двумя небольшими электрическим зарядами подчиняется следующим правилам:

  • сила пропорциональна величине каждого заряда;
  • сила обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними;
  • направление действия силы направленно вдоль прямой соединяющей заряды;
  • сила представляет собой притяжение, если тела заряжены противоположно, и отталкивание в случае одноимённых зарядов.

Таким образом, закон Кулона выражается следующей формулой

где q1, q2 – величина электрических зарядов,

r – расстояние между двумя зарядами,

k – коэффициент пропорциональности, равный k = 1/(4πε0) = 9 * 109 Кл2/(Н*м2), где ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Кл2/(Н*м2).

Замечу, что ранее электрическая постоянная ε0 называлась диэлектрической постоянной или диэлектрической проницаемостью вакуума.

Рисунок иллюстрирующий закон Кулона.

Закон Кулона проявляется, нет только при взаимодействии двух зарядов, но и что чаще встречается системы из нескольких зарядов. В этом случае закон Кулона дополняется ещё одним существенным фактором, который называется «принципом наложения» или принципом суперпозиции.

В основе принципа суперпозиции лежит два правила:

  • воздействие на заряженную частицу нескольких сил есть векторная сумма воздействий этих сил;
  • любое сложное движение состоит из нескольких простых движений.

Принцип суперпозиции, на мой взгляд, проще всего изобразить графически

Изображение, поясняющее принцип суперпозиции.

На рисунке показаны три заряда: -q1, +q2, +q3. Для того чтобы вычислить силу Fобщ, которая действует на заряд -q1, необходимо вычислить по закону Кулона силы взаимодействия F1 и F2 между -q1, +q2 и -q1, +q3. Затем получившиеся силы сложить по правилу сложения векторов. В данном случае Fобщ вычисляется как диагональ параллелограмма по следующему выражению

где α – угол между векторами F1 и F2.

Электрическое поле. Напряженность электрического поля

Всякое взаимодействие между зарядами, называемое также кулоновским взаимодействием (по названию закона Кулона) происходит при помощи электростатического поля, которое является неизменяющимся по времени электрическим полем неподвижных зарядов.

Электрическое поле является частью электромагнитного поля и создаётся оно электрическим зарядами или заряженными телами. Электрическое поле воздействует на заряды и заряженные тела независимо от того движутся ли они или находятся в состоянии покоя.

Одним из фундаментальных понятий электрического поля является его напряженность, которая определяется как отношение силы действующей на заряд в электрическом поле к величине этого заряда. Для раскрытия данного понятия необходимо ввести такое понятие как «пробный заряд».

«Пробным зарядом», называется такой заряд, который не участвует в создании электрического поля, а также имеет очень маленькую величину и поэтому своим присутствием не вызывает перераспределение зарядов в пространстве, тем самым не искажая электрическое поле создаваемое электрическим зарядами.

Заряд в электрическом поле.

Таким образом, если внести «пробный заряд» q0 в точку, находящуюся на некотором расстоянии от заряда q, то на «пробный заряд» qП будет действовать некоторая сила F, обусловленная присутствием заряда q.

Отношение силы F0 действующей на пробный заряд, в соответствии с законом Кулона, к величине «пробного заряда», называется напряженностью электрического поля.

Напряженность электрического поля обозначается Е и имеет разрядность Н/Кл

Потенциал электростатического поля. Разность потенциалов

Как известно, если на тело действует какая-либо сила, то такое тело совершает определённую работу. Следовательно, и заряд, помещённый в электрическое поле, также будет выполнять работу.

В электрическом поле выполненная зарядом работа не зависит от траектории движения, а определяется лишь положением, которое занимает частица в начале и конце перемещения.

В физике поля подобные электрическому полю (где работа не зависит от траектории движения тела) называются потенциальными.

Работа в потенциальном поле.

Выполненная телом работа определяется по следующему выражению

где F – сила, действующая не тело,

S – расстояние, пройденное телом по действие силы F,

α – угол между направлением движения тела и направлением действия силы F.

Тогда работа выполненная «пробным зарядом» в электрическом поле созданным зарядом q0 определится из закона Кулона

где qП – «пробный заряд»,

q0 – заряд создающий электрическое поле,

r1 и r2 – соответственно расстояние между qП и q0 в начальном и конечном положении «пробного заряда».

Так как выполнение работы связано с изменением потенциальной энергии WP, тогда

И потенциальная энергия «пробного заряда» в каждой отельной точке траектории движения будет определяться из следующего выражения

Как видно из выражения с изменением величины «пробного заряда» qп значение потенциальной энергии WP будет изменяться пропорционально qп, поэтому для характеристики электрического поля была введена ещё один параметр названный потенциалом электрического поля φ, который является энергетической характеристикой и определяется следующим выражением

где k – коэффициент пропорциональности, равный k = 1/(4πε0) = 9 * 109 Кл2/(Н*м2), где ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85 * 10-12 Кл2/(Н*м2).

Таким образом, потенциалом электростатического поля является энергетической характеристикой, которая характеризует потенциальную энергию, которой обладает заряд, помещённый в данную точку электростатического поля.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что работа совершённая при перемещении заряда из одной точки в другую может быть определена из следующего выражения

То есть работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда из одной точки в другую, равна произведению заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории.

При расчётах наиболее удобно знать разность потенциалов между точками электрического поля, а не конкретные значения потенциалов в данных точках, поэтому говоря о потенциале какой либо точки поля, подразумевают разность потенциалов между данной точкой поля и другой точкой поля, потенциал которой условились считать равным нулю.

Разность потенциалов определяется из следующего выражения и имеет размерность Вольт (В)

Разность потенциалов между двумя точками электростатического поля.

Продолжение читайте в следующей статье

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник: https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/osnovy-elektrotexniki-chast-1-elektrostatika.html

Электростатика

Электростатика

Электростатика.

Наука о свойствах и закономерностях поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами, называется электродинамикой. Раздел электродинамики, изучающий неподвижные электрические заряды и их взаимодействие наз.электростатикой.

В V в. до н.э. люди заметили (Фалес?), что пылинки притягиваются к натертому янтарю (электричество от греч. «электрон» — янтарь).

Строение атома:

Положительное ядро, вокруг которого вращаются отрицательные электроны.

Заряд протона равен заряду электрона по величине. В обычных условиях тело нейтрально.

Заряд тела положителен (+) — это значит, что не хватает электронов.

Атом с недостатком электронов — положительный ион.

Заряд тела отрицателен (-) — это значит, что избыток электронов.

Атом с избытком электронов — отрицательный ион.

Электризация — процесс сообщения телу электрического заряда.

1. Электризация трением, ударом.

 Электроны переходят от тела В к телу А.

2. Электризация через влияние (по индукции). Например, подносим заряженную палочку к телу, не дотрагиваясь до него, а затем разделяем тела на две части. Обе половины будут заряжены противоположно.

Электрический заряд.

Физическая величина, являющаяся количественной мерой электромагнитного взаимодействия. Тело обладает электрическим зарядом, если мы знаем, что при определенных условиях оно может притягиваться и отталкиваться. Существуюет два «рода» зарядов, которые условно называют положительными (стекло, потертое о шелк) и отрицательными (эбонит потертый о шерсть).

Обозначение: q.

Единицы измерения в СИ: [ q ] = Кл 1 (кулон). (1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока 1 А).

Заряд 1 Клочень большой в электростатике. Обычные заряды мкКл, нКл. (Заряд грозового облака 10-20 Кл, в отдельных случаях — до 300 Кл. Земля имеет отрицательный заряд, равный 5,7.105Кл.)

Приборы для обнаружения заряда: электроскоп, электрометр

Опыт Иоффе-Милликена.

Цель опыта: обнаружить элементарный электрический заряд.

Опыт: Маленькая капелька масла облучается светом (ультрафиолетовыми лучами). В результате фотоэффекта она приобретает электрический заряд. Сила тяжести уравновешивается электрической силой. По результатам опыта можно рассчитать отношение заряда частицы, выбиваемой с поверхности тела, к ее массе (удельный заряд).

Результат:  — удельный заряд электрона. Делимость заряда!

Величина «е» — элементарный заряд. В СИ е=1,6.10-19 Кл Такой заряд имеет электрон (-), протон (+), другие заряженные элементарные частицы.

Любой электрический заряд, больший элементарного, выражается целым числом элементарных зарядов. Не существует (в рамках классической электродинамики) заряда, выраженного дробным числом элементарных зарядов. Т.еq=Ne.

Закон сохранения электрического заряда.

Алгебраическая сумма зарядов, составляющих замкнутую систему, остается неизменной при любых взаимодействиях зарядов этой системы.

В телах заряды скомпенсированы очень точно. Если бы в теле человека зарядов одного знака было бы на 0,01% больше, чем зарядов другого, о силавзаимодействия между ними была бы равна силе притяжения между Землей и Солнцем.

Если Вселенная имеет конечные размеры, то ее суммарный заряд должен быть равен нулю.

Элементарный заряд

е=1,6.10-19 Кл

Примеры выполнения закона сохранения заряда:

  1. Заряженная капля делится на две равные капли.
  2. Соединение двух заряженных капель.
  3. Соединение заряженных шариков.
  4. Ядерные реакции:
    •  7 + 2 = 8 + 1

    •  92 = 90 + 2

Верхние индексы у символов химических элементов обозначают массовые числа, нижние — заряды ядер (числа протонов и электронов в атоме). Т.е. при ядерных реакциях выполняются з-ны сохранения массового числа и заряда.

Источник: https://www.eduspb.com/node/1754

Booksm
Добавить комментарий