Лекция 10 Электростатическое поле 1 2 3 4

Лекция 10. Электростатическое поле 1. 2. 3. 4. 5. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электростатическое поле. Напряженность поля. Линии напряженности. Работа, перемещения электрического заряда в электростатическом поле. Потенциал и разность потенциалов.

1. Закон сохранения электрического заряда • Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия. • Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q. • В природе существуют два типа электрических зарядов: положительные, и отрицательные; одноименные заряды друг от друга отталкиваются, разноименные — притягиваются.

Электрон и протон • Р. Милликен показал, что электрический заряд дискретен, т. е. заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда • Электрон • Протон • являются носителями элементарных отрицательного и положительного зарядов

Закон сохранения электрического заряда • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд • В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q 1 + q 2 + q 3 +. . . +qn = const. • Единица электрического заряда кулон, (Кл). 1 Кл – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с.

Проводники, диэлектрики и полупроводники. • Проводники — тела, в которых электрический заряд может перемещаться по всему его объему. • Проводники первого рода (металлы) — перенос в них зарядов не сопровождается химическими превращениями; • Проводники второго рода (например, расплавленные соли, растворы кислот) — перенос в них зарядов (положительных и отрицательных ионов) ведет к химическим изменениям. • Диэлектрики (например, стекло, пластмассы) — тела, в которых практически отсутствуют свободные заряды. • Полупроводники (например, германий, кремний) занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

2. Закон Кулона • Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь • Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Прибор Кулона

Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов

• Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц • Коэффициент k в системе СИ • электрическая постоянная

3. Электростатическое поле. Напряженность поля. Линии напряженности • Если в пространство, окружающее электрический заряд, ввести другой заряд, то на него будет действовать кулоновская сила; значит, в пространстве, окружающем электрические заряды, существует силовое поле. В данном случае говорят об электрическом поле — поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. • Электрические поля, которые создаются неподвижными электрическими зарядами, называются электростатическими. • Для обнаружения и опытного исследования электростатического поля используется пробный точечный положительный заряд — такой заряд, который не искажает исследуемое поле.

Напряженность электростатического поля

Направление и единицы измерения напряженности • Направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Если поле создается положительным зарядом, то вектор направлен вдоль радиус-вектора от заряда во внешнее пространство (отталкивание пробного положительного заряда); если поле создается отрицательным зарядом, то вектор направлен к заряду. • Единица напряженности электростатического поля — ньютон на кулон, (Н/Кл). 1 Н/Кл — напряженность такого поля, которое на точечный заряд 1 Кл действует с силой в 1 Н.

Графическое представление • Графически электростатическ ое поле изображают с помощью линий напряженности— линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора E.

Силовые линии, создаваемые точечными зарядами

Дипольный момент • вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному. • Диполь может служить электрической моделью многих молекул. • Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H 2 O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105°. Дипольный момент молекулы воды p = 6, 2· 10– 30 Кл · м.

Дипольный момент молекулы воды

4. Работа перемещения электрического заряда в электростатическом поле

Потенциальность электростатического поля • 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. • Работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю. • Силовые поля, обладающие этим свойством, называют потенциальными или консервативными

Работа кулоновских сил при перемещении заряда q зависит только от расстояний r 1 и r 2 начальной и конечной точек траектории

5. Потенциал и разность потенциалов • Работа консервативных сил совершается за счет убыли потенциальной энергии. • Работу сил электростатического поля можно представить как разность потенциальных энергий, которыми обладает точечный заряд Q 0 в начальной и конечной точках поля заряда Q

Потенциальная энергия • потенциальная энергия заряда Q 0 в поле заряда Q. • Если считать, что при удалении заряда в бесконечность потенциальная энергия обращается в нуль, то C=0.

Потенциальная энергия суммы зарядов • Если поле создается системой n точечных зарядов , то работа электростатических сил, совершаемая над зарядом Q 0, равна алгебраической сумме работ сил, обусловленных каждым из зарядов в отдельности. • Потенциальная энергия заряда , находящегося в этом поле, равна сумме потенциальных энергий каждого из зарядов

Потенциал • энергетическая характеристика электростатического поля • потенциал

Работа сил электростатического поля • Связь работы и напряженности • Связь разности потенциалов и напряженности • Потенциал - физическая величина, определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при удалении его из данной точки поля в бесконечность • Эта работа численно равна работе, совершаемой внешними силами против сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку

• Единица потенциала — вольт, (В): 1 В есть потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1 Дж, (1 В = 1 Дж/1 Кл). • Потенциал поля системы зарядов равен алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов • Взаимосвязь между напряженностью электростатического поля, являющейся силовой характеристикой, и потенциалом — энергетической характеристикой