Электростатика

Электростатика
Электростатика
• Электрический заряд
• Электрическое поле
• Конденсаторы
Электрический заряд
• Эл. заряд и элементарные
частицы
• Закон сохранения эл. заряда
• Закон Кулона
Электрическое поле
•
•
•
•
•
•
Эл. поле
Напряженность
Силовые линии
Проводники в эл. поле
Диэлектрики в эл. поле
Потенциал
Конденсаторы
• Электроемкость
• Конденсаторы
• Энергия заряженного
конденсатора
Электрический заряд
q  Кл
Один кулон (1 Кл) – это заряд, проходящий за
1 с через поперечное сечение проводника при
силе тока 1А.
q0  1,6  10
19
Kл
- элементарный
электрический заряд.
Электрический заряд
частицы
протоны
электроны
-19
q = + 1,6 * 10
mp = 1,67*10
Кл
-27
кг
q = - 1,6 * 10
-19
-31
me = 9,1*10
нейтроны
q=0
mn = 1,67*10
-27
кг
Кл
кг
Закон сохранения заряда
В замкнутой системе алгебраическая сумма
зарядов всех частиц остается неизменной.
q
1
+ q2 + q3 + … +qn = const
При электризации тел происходит
перераспределение зарядов между телами.
Электризация тел
Электризация тел
Электризация тел
Электризация тел
Электризация тел
Электризация тел
Взаимодействие зарядов
q1
F
F
q2
1785 г.
r
q1  q2
- Закон Кулона.
F k
2
r
Сила взаимодействия двух точечных
неподвижных заряженный тел в вакууме
прямо пропорциональна произведению
модулей зарядов и обратно пропорциональна
квадрату расстояния между ними.
Взаимодействие зарядов
2
H

м
9
k  9 10
Кл 2
k
1
4 0
 0  8,85 1012
0
Кл2
Н  м2
k – коэффициент
пропорциональности,
численно равный силе
взаимодействия двух
точечных зарядов по 1 Кл,
находящихся в вакууме на
расстоянии 1 м.
- электрическая постоянная.
Взаимодействие зарядов
Разноименные
заряды
притягиваются, а
одноименные
отталкиваются.
Взаимодействие зарядов
F = F1 + F2
F1
F2
F
Электрическое поле
•Согласно идее Фарадея электрические
заряды не действуют друг на друга
непосредственно.
•Каждый из них создает в окружающим
пространстве электрическое поле.
•Поле одного заряда действует на другой
заряд и наоборот.
•По мере удаления от заряда поле ослабевает.
Электрическое поле
•Электрическое поле материально, оно
существует независимо от нас и наших
знаний о нем.
•Главное свойство электрического поля –
действие его на электрические заряды с
некоторой силой.
•Электрическое поле неподвижных зарядов
называют электростатическим. Оно не
меняется со временем.
Напряженность электрического
поля
Напряженность – силовая характеристика
электрического поля – она определяет силу, с
которой эл. поле действует на эл. заряд.

 F
E
q
 
F  E q
Н
E  
Кл
q>0
q<0
E
E
Напряженность электрического
поля
 
F  E q
q Напряженность эл.
E  k 2 поля точечного заряда
q1  q2
F k
r на расстоянии r от
2
r
него.
E
0
r
Напряженность электрического
поля
Принцип суперпозиции полей.
E = E1 + E 2 + …
E1
E2
E
Напряженность электрического
поля
Линии напряженности (или силовые линии
электрического поля) – это непрерывные
линии, касательные к которым в каждой
точке, через которую они проходят, совпадают
с векторами напряженности.
E
E
Напряженность электрического
поля
Напряженность электрического
поля
Сфера.
+
+
+
+
+
+
R
+
A
EA
q Напряженность поля на
Ek 2
R поверхности сферы.
Ek
q
R  r 
2
Напряженность поля вне сферы.
A
EA
Напряженность электрического
поля
Сфера
+
+
+
+
+
R
Напряженность поля
внутри проводящего
шара равна нулю.
Eв нутр  0
Е
+
r
0
R
Напряженность электрического
поля
Плоскость
E

E
2 0
Кл
   2
м
q

S
поверхностная
плотность
заряда
q
E
2 S 0
Напряженность электрического
поля
Однородное
электрическое поле.
A
Неоднородное
электрическое поле.
A
B
EA = EB
B
EA > EB
Проводники в электрическом
поле
• Проводники –это вещества с большой
концентрацией свободных
заряженных частиц.
• Проводниками являются металлы,
электролиты.
Проводники в электрическом
поле
+
Eитог = E0 + Eэ
+
+
E0 = Eэ
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Eэ
E0
Eитог = 0
•Электростатического поля внутри проводника нет.
•Весь статический заряд проводника сосредоточен на
его поверхности.
Диэлектрики в электрическом
поле
• Диэлектрики (изоляторы) – это
вещества, с малой концентрацией
свободных заряженных частиц.
• Диэлектриками являются такие
вещества как резина, дерево, фарфор.
Диэлектрики в электрическом
поле
Виды диэлектриков:
• Полярные, состоящие из таких молекул, у
которых центры распределения положительных и
отрицательных зарядов не совпадают. (спирты,
вода, поваренная соль).
+
• Неполярные, состоящие из атомов или молекул, у
которых центры распределения положительных и
отрицательных зарядов совпадают. (инертные
газы, кислород, полиэтилен).
Диэлектрики в электрическом
поле
-
-
+
+
E
E
Смещение положительных и
отрицательных связанных
зарядов диэлектрика в
противоположные стороны
называют поляризацией.
Неполярные диэлектрики в
электрическом поле тоже
поляризуются.
Диэлектрики в электрическом
поле
Eитог = E0 + Eд
-
+
Ед
Еитог
-

+
Eитог = E0 - Ед
Eитог < Е0
Е0
Eитог 
- диэлектрическая проницаемость вещества
E0

Потенциал
Потенциал – Энергетическая характеристика
электрического поля – она определяет энергию,
которую приобретает заряженная частица в
электрическом поле.
   B
А
В
WE

q
(вольт)
С
 А  В
Е
С   А
1 Дж
1B 
1Кл
Потенциал
•Поверхности равного потенциала называют
эквипотенциальными поверхностями.
•Эквипотенциальные поверхности
перпендикулярны линиям напряженности.
B
Е
A
B
 А > В
A
Е
Потенциал
q0
k
r
Е
E
+
0
r
Е
-
Потенциал
Если поле создано не одним, а несколькими
источниками, то потенциал точки равен
алгебраической сумме потенциалов исходных полей.
  1  2  ...  n
Потенциал
q
k
R
R
q
k
Rr

R
r
потенциал внутри и
на поверхности
заряженной сферы
потенциал вне
заряженной сферы
Работа эл. поля по
перемещению эл. заряда
1
F
S
d
A  Eqd
Е
2
A  F  S  cos 
F  E q
S  d
cos   0
Работа однородного
электростатического поля по
перемещению электрического
заряда.
Работа эл. поля по
перемещению эл. заряда
Работа эл. поля не зависит от траектории движения
заряда, а только от начального и конечного
положения заряда.
A  Aгор  Aверт
A  F  S  cos 
Е
Aв ерт  Eqh  0
Aв ерт  0
Агор  Eq  (d1  d 2  ...  d n ) 1
Aгор  Eqd
d  d1  d 2  ...  d n
A  Eqd
Работа эл. поля по
перемещению эл. заряда
F
1
1
S
d
Е
2
2
A  WE  (WE 2  WE1 )
WE  q
A  q1  q2  q(1  2 )
1  2    U
[U] = В - напряжение
A  qU
A  Eqd
U
E
d
В
E  
м
Электроемкость
Электроемкость –физическая
величина, характеризующая
способность проводника
накапливать электрический заряд.
C   Ф
q
C
U
(фарад)
1Кл
1Ф 
1В
Электроемкость двух проводников равна 1 Ф, если
при сообщении им зарядов +1 Кл и -1Кл между
ними возникает разность потенциалов 1В.
Конденсаторы
• Электроемкость определяется геометрическими
размерами проводников, их формой и взаимным
расположением, а так же электрическими
свойствами окружающей среды.
• Большой электроемкостью обладают системы из
двух проводников, называемые конденсаторами.
• Конденсатор представляет собой два проводника,
разделенные слоем диэлектрика, толщина
которого мала по сравнению с размерами
проводника.
• Проводники в этом случае называют обкладками
конденсатора.
• Под зарядом конденсатора понимают абсолютное
значение заряда одной из обкладок.
Конденсаторы
Емкость плоского
конденсатора.
S
С
d
E = E1 + E2 + …
E = E1 + E2
q
E
2 S 0
q
C
U
U  Ed
0 S
d
Еитог 
q
 0S
Конденсаторы
Параллельное
соединение
конденсаторов.
Последовательное
соединение
конденсаторов.
С1
С2
С  С1  С2  ...
С1
С2
1
1
1


 ...
С С1 С2
Конденсатор

у

0



  х   у
  х   у



х
0 у  0
 х  0 х  const
Eqчаст
 у  0 у  at
a
mчаст
Энергия заряженного
конденсатора
W 
E
+
E
WE  q d
2
-
q
C
U
2
CU
2
2
q
qU


2
2C
Энергия заряженного
конденсатора
Плоский конденсатор.
С
0 S
d
U  Ed
CU 2
W 
E
2
1
2
WE   0E Sd
2
W W
wE 

V Sd
1
wE   0E 2
2
Дж
wE   3
м
- плотность энергии
эл. поля.