Лекция по физике на тему : Электростатика

1 ПОАНО «ВМК» Тема занятия: Электростатика. Электрический заряд. Закон сохранения Лекция №1.   электрического заряда. Электрическое поле. Закон Кулона. Цель занятия: Иметь представление о роли физики при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин в профессиональной деятельности. Cформировать определение заряженных тел. Дать определение электрическому заряду. Сформулировать закон сохранения заряда и закон Кулона. Закрепить теорию Развить воображение, сообразительность, познавательный интерес. Воспитать логическое мышление, внимание, словесно­логическую память. на конкретных примерах. Электростатика  —   раздел   учения   об   электричестве,   изучающий взаимодействие неподвижных электрических зарядов. Между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или   кулоновское)   отталкивание,   а   между   разноимённо   заряженными   — электростатическое притяжение. Явление отталкивания одноименных зарядов лежит   в   основе   создания   электроскопа   —   прибора   для   обнаружения электрических зарядов. В основе электростатики лежит закон Кулона. Этот закон описывает взаимодействие точечных электрических зарядов. Электрический заряд. Электрический   заряд –   это   физическая   величина,   характеризующая способность  частиц  или   тел  вступать   в  электромагнитные   взаимодействия. Электрический   заряд   обычно   обозначается   буквами q или Q. В   системе   СИ электрический заряд измеряется в Кулонах (Кл). Свободный заряд в 1 Кл – это гигантская величина заряда, практически не встречающаяся в природе. Как правило, Вам придется иметь дело с микрокулонами (1 мкКл = 10–6 Кл), нанокулонами   (1   нКл   =   10–9 Кл)   и   пикокулонами   (1   пКл   =   10– 12 Кл). Электрический заряд обладает следующими свойствами: 1. Электрический заряд является видом материи. 2. Электрический   заряд   не   зависит   от   движения   частицы   и   от   ее скорости. ПОАНО «ВМК» 2 3. 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. 4. Существует   два   рода   электрических   зарядов,   условно названных положительными и отрицательными. 5. Все заряды взаимодействуют друг с другом. При этом одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Силы взаимодействия зарядов   являются   центральными,   то   есть   лежат   на   прямой,   соединяющей центры зарядов. 6. Существует   минимально   возможный   (по   модулю)   электрический заряд, называемый элементарным зарядом. Его значение: e = 1,602177∙10–19 Кл  Электрический заряд любого тела всегда кратен элементарному заряду:  1,6∙10 ≈ –19 Кл. где: N – целое число. Обратите внимание, невозможно существование заряда, равного 0,5е; 1,7е; 22,7е и так далее. Физические величины, которые могут   принимать   только   дискретный   (не   непрерывный)   ряд   значений, называются квантованными.   Элементарный   заряд   e   является   квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда. Закон   сохранения   электрического   заряда. В   изолированной   системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе   тел   не   могут   наблюдаться   процессы   рождения   или   исчезновения зарядов только одного знака. Из закона сохранения заряда так же следует, если   два   тела   одного   размера   и   формы,   обладающие ПОАНО «ВМК» зарядами q1 и q2 (совершенно   не   важно   какого   знака   заряды),   привести   в соприкосновение, а затем обратно развести, то заряд каждого из тел станет 3 равным: С   современной   точки   зрения,   носителями   зарядов   являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых отрицательно входят заряженные протоны,   положительно     заряженные электроны и   нейтральные   частицы   – нейтроны.   Протоны   и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности   одинаковы   и   равны   элементарному   (то   есть   минимально возможному) заряду e. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может   потерять   один   или   несколько   электронов,   или   приобрести   лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион. Обратите внимание, что положительные протоны входят в состав ядра атома, поэтому их число может изменяться только при ядерных реакциях. Очевидно, что при электризации тел ядерных реакций   не   происходит.   Поэтому   в   любых   электрических   явлениях   число протонов не меняется, изменяется только число электронов. Так, сообщение телу   отрицательного   заряда   означает   передачу   ему   лишних   электронов.   А сообщение   положительного   заряда,   вопреки   частой   ошибке,   означает   не добавление протонов, а отнимание электронов. Заряд может передаваться от одного   тела   к   другому   только   порциями,   содержащими   целое   число электронов. Иногда в задачах электрический заряд распределен по некоторому телу. Для описания этого распределения вводятся следующие величины: ПОАНО «ВМК» 4 1.   Линейная   плотность   заряда. Используется   для   описания распределения заряда по нити: где: L – длина нити. Измеряется в Кл/м. 2.   Поверхностная   плотность   заряда. Используется   для   описания распределения заряда по поверхности тела: где: S – площадь поверхности тела. Измеряется в Кл/м2. 3.   Объемная   плотность   заряда. Используется   для   описания распределения заряда по объему тела: где: V – объем тела. Измеряется в Кл/м3. Обратите внимание на то, что масса электрона равна: me = 9,11∙10–31 кг. Электрическое поле. По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг   на   друга   непосредственно.   Каждое   заряженное   тело   создает   в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Главное свойство электрического поля – действие   на   электрические   заряды   с   некоторой   силой.   Таким   образом, взаимодействие   заряженных   тел   осуществляется   не   непосредственным   их воздействием   друг   на   друга,   а   через   электрические   поля,   окружающие заряженные тела. Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с   помощью   так   называемого пробного   заряда –   небольшого   по   величине точечного   заряда,   который   не   производит   заметного   перераспределения исследуемых зарядов. ПОАНО «ВМК» 5 Для   количественного   определения   электрического   поля вводится силовая характеристика  напряженность электрического поля. Напряженностью электрического поля называют физическую величину, равную   отношению   силы,   с   которой   поле   действует   на   положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда: Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление   вектора  направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.  в   каждой   точке   пространства   совпадает   с Электрическое   поле   неподвижных   и   не   меняющихся   со   временем зарядов   называется электростатическим. Во   многих  случаях  для  краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле Если   с   помощью   пробного   заряда   исследуется   электрическое   поле, создаваемое   несколькими   заряженными   телами,   то   результирующая   сила оказывается   равной   геометрической   сумме   сил,   действующих   на   пробный заряд   со   стороны   каждого   заряженного   тела   в   отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности: Это   свойство   электрического   поля   означает,   что   поле подчиняется принципу суперпозиции. ПОАНО «ВМК» 6 В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля,   создаваемого   точечным   зарядом Q на   расстоянии r от   него,   равна   по модулю  Это   поле   называется кулоновским.   В   кулоновском   поле   направление вектора   зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор   направлен по радиусу от заряда, если Q < 0, то вектор   направлен к заряду. Для наглядного изображения электрического поля используют силовые  в каждой точке линии. Эти линии проводят так, чтобы направление вектора  совпадало   с   направлением   касательной   к   силовой   линии   (рис. 1.2.1).   При изображении   электрического   поля   с   помощью   силовых   линий,   их   густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля. Рисунок 1.2.1. Силовые линии электрического поля Силовые   линии   кулоновских   полей   положительных   и   отрицательных точечных зарядов изображены на рис. 1.2.2. Так как электростатическое поле, создаваемое   любой   системой   зарядов,   может   быть   представлено   в   виде суперпозиции   кулоновских   полей   точечных   зарядов,   изображенные   на ПОАНО «ВМК» рис. 1.2.2 поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля. 7 Рисунок 1.2.2. Силовые линии кулоновских полей Кулоновское   поле   точечного   заряда Q удобно   записать   в   векторной форме.   Для   этого   нужно   провести   радиус­вектор   от   заряда Q к   точке наблюдения.   Тогда   при Q > 0 вектор   параллелен   а   при Q < 0 вектор    антипараллелен   Следовательно, можно записать:  где r – модуль радиус­вектора  В   качестве   примера   применения   принципа   суперпозиции   полей   на . рис. 1.2.3. изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы   из   двух   одинаковых   по   модулю   зарядов   разного   знака q и   –q, расположенных на некотором расстоянии l. ПОАНО «ВМК» 8 Рисунок 1.2.3. Силовые линии поля электрического диполя  Важной   характеристикой   электрического   диполя   является   так называемый дипольный момент  где   –   вектор,   направленный   от   отрицательного   заряда   к положительному,   модуль  моделью многих молекул.  Диполь   может   служить   электрической Электрическим дипольным моментом обладает, например, нейтральная молекула воды (H2O), так как центры двух атомов водорода располагаются не на одной прямой с центром атома кислорода, а под углом 105° (рис. 1.2.4). Дипольный момент молекулы воды p = 6,2∙10–30 Кл ∙ м. ПОАНО «ВМК» 9 Рисунок 1.2.4. Дипольный момент молекулы воды Во многих задачах электростатики требуется определить электрическое поле   по заданному распределению зарядов. Пусть, например, нужно найти электрическое   поле   длинной   однородно   заряженной   нити   (рис. 1.2.5)   на расстоянии R от нее. Рисунок 1.2.5. Электрическое поле заряженной нити Поле   в   точке   наблюдения P может   быть   представлено   в   виде суперпозиции кулоновских полей, создаваемых малыми элементами Δx нити, с   зарядом  Δτ x,   где τ – заряд   нити   на   единицу   длины.   Задача   сводится   к суммированию   (интегрированию)   элементарных   полей   Результирующее поле оказывается равным ПОАНО «ВМК» 10 Вектор   везде   направлен   по   радиусу   Это   следует   из   симметрии задачи. Уже этот простой пример показывает, что прямой путь определения поля   по   заданному   распределению   зарядов   приводит   к   громоздким математическим   выкладкам.  В   ряде   случаев   можно   значительно   упростить расчеты,   если   воспользоваться теоремой   Гаусса,   которая   выражает фундаментальное свойство электрического поля. Модель. Электрическое поле точечных зарядов Модель. Движение заряда в электрическом поле Закон кулона. ПОАНО «ВМК» 11 Точечным   зарядом называют   заряженное   тело,   размерами   которого   в условиях   данной   задачи   можно  пренебречь.  На   основании  многочисленных опытов Кулон установил следующий закон: Силы   взаимодействия   неподвижных   точечных   зарядов   прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними: где: ε –   диэлектрическая   проницаемость   среды   –   безразмерная физическая   величина,   сила электростатического   взаимодействия   в   данной   среде   будет   меньше,   чем   в   во   сколько   раз   показывающая, вакууме (то есть во сколько раз среда ослабляет взаимодействие). Здесь k – коэффициент в законе Кулона, величина, определяющая численное значение силы   взаимодействия   зарядов.   В   системе   СИ   его   значение   принимается равным: k = 9∙109 м/Ф. Силы   взаимодействия   точечных   неподвижных   зарядов   подчиняются третьему закону Ньютона, и являются силами отталкивания друг от друга при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения друг к другу при разных   Взаимодействие знаках. зарядов называют электростатическим или   кулоновским   взаимодействием.   Раздел   неподвижных   электрических   электродинамики, называют электростатикой.   изучающий   кулоновское   взаимодействие, Закон Кулона справедлив  для точечных заряженных тел, равномерно заряженных сфер и шаров. В этом случае за расстояния r берут расстояние между   центрами   сфер   или   шаров.   На   практике   закон   Кулона   хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент k в системе СИ иногда записывают в виде: ПОАНО «ВМК» 12 где: ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м – электрическая постоянная. Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются   если   заряженное   тело   взаимодействует принципу   суперпозиции: одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел. Запомните также два важных определения: Проводники –   вещества,   содержащие   свободные   носители электрического   заряда.   Внутри   проводника   возможно   свободное   движение электронов   –   носителей   заряда   (по   проводникам   может   протекать электрический ток). К проводникам относятся металлы, растворы и расплавы электролитов, ионизированные газы, плазма. Диэлектрики   (изоляторы) –   вещества,   в   которых   нет   свободных носителей   заряда.   Свободное   движение   электронов   внутри   диэлектриков невозможно   (по   ним   не   может   протекать   электрический   ток).   Именно диэлектрики   обладают   некоторой   не   равной   единице   диэлектрической проницаемостью ε. Для диэлектрической проницаемости вещества верно следующее (о том, что такое электрическое поле чуть ниже):